SmartCeiling智能家居系統

崔育杰，許秋荻，陳治宇

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢430070）

1 研制背景及意義

如今，隨著中國經濟發展及城市化進程的推動，城區居住面積建成速度小于人口涌入速度，使得人均住房面積越來越小[1]，傳統面積商品房不再適合人們的經濟需要和實際住房需求，因此人們對于小戶型房屋空間設計有了更加多樣化的訴求[2]。

現代家居設計更加強調“以人為本”的設計思想，注重提高住宅的舒適性、多樣性、適應性及空間的利用率。其家居設計的好壞將直接影響人們的生活品質。與此同時，智能化、個性化、多功能化的家居理念逐步得到了大眾的認可與喜愛[3]。在現有的裝修設計中，為解決儲物難問題，嵌入式的家居設計出現在世人眼前，以墻代柜的巧妙構思深受人們的歡迎[4]，但這些設計均為平面化家居設計，立體化家居設計尚處于空白。根據上述背景，本項目從房屋結構的兼容性、用戶的使用體驗以及智能技術的利用3個方面進行展開，設計了一套智能化的天花板家居系統。

2 項目的創新之處

項目的創新之處主要有：①智能天花板家居系統突破了傳統設計思路，以天花板為載體，充分利用房屋上層空間；②將平面化家居設計轉變為立體化家居設計，構成家居設計新理念；③促進智能家居與用戶的交互，實現多功能、多模式、個性化的家居設計；④合理機構組合設計實現家居不同模式和功能的切換，滿足人們多樣化的住宅需求。

3 項目的研究內容和研究目標

本項目旨在提供一種全自動控制智能天花板系統，本項目的研究意義在于：①該系統提出了新的設計理念，將現有的平面化設計轉變為立體化的家居設計；②本項目是以天花板為載體，將家居與天花板相契合，打造出多模式、多元化的家居功能；③通過利用目前家居設計所忽視房屋上層空間，更進一步提升了房屋空間利用率，以此來解決家庭普遍存在的儲物難問題；④本項目結合智能家居發展大趨勢，改變傳統設計觀念，自主創新打造智能化的家居系統，非常具有時代特征和現實意義。

4 項目方案設計

智能天花板家居系統采用全自動控制，以天花板為載體，結合家具的智能升降，實現立體化家居設計，充分利用室內的立體空間，解決小面積住戶空間小、儲物難等問題。

未來的智能家居設計應當以人為本，本方案結合現有家居布置的特點，從豎直升降、水平翻轉2個維度進行思考，最大化利用天花板面積，同時方便住戶進行一系列居家活動。智能天花板引入先進技術和設備，實現家庭智能語音控制、智能燈光控制、停電自鎖、斷電手動以及記憶功能等。智能天花板家居系統功能部分示意圖如圖1所示。智能天花板設計理念如圖2所示。

4.1 客廳場景模式設計

根據客廳的實際功能需求，對現有客廳環境布置進行具體分析，客廳設計主要包含以下3種模式：客餐廳模式、觀影模式、鞋柜收納。根據人的實際需要使空間得到立體化應用。

4.1.1 鞋柜收納

無需使用時，鞋柜呈水平狀態嵌于天花板內；使用時，通過平面導向連桿的配合，使得鞋柜翻轉下降，鞋柜下降到適宜的高度，同時柜門由向上轉變為向前，方便人進行存取動作。存取完成后，鞋柜升至天花板儲藏，不占用地面空間。

鞋柜相鄰柜格之間間距較短，一般為鞋體高度，鞋柜90°翻轉過程中，內部所儲存的鞋體基本不會出現翻倒情況，保障人的正常使用。

4.1.2 健身模式

客廳主體為放置于中央的茶幾，平時茶幾可用于放置茶杯、果盤等日常用品，也讓客廳裝修整體更加和諧。但茶幾占據了客廳較大一部分地面空間，限制了人們的活動。

本裝置利用可自動脫合的升降帶將茶幾升至天花板上，下方空間可鋪上瑜伽墊，或者直接利用地毯進行健身等日常活動；另外，茶幾上升后，可為孩子們提供一個更寬敞、更安全的休閑娛樂空間。

4.1.3 客餐廳模式

利用可自動脫合的升降帶將茶幾重新放置于地板上，茶幾采用市面常見的多功能升降茶幾，自身可在茶幾及餐桌狀態進行切換，快速實現客廳餐廳轉換。為小面積住戶提供極大的方便。

4.1.4 觀影模式

無需使用時，電視機或投影屏嵌于天花板內；開啟后，通過平面連桿機構及直線電機分別控制電視機或投影屏的角度及高度，提升觀影舒適度，同時天花板上安裝的音響裝置暴露出來。繁重的家庭影音設備安裝于天花板上，充分節省了室內空間，且住戶可根據自身喜好調節投影屏或電視機的高度及角度，提高了人們在觀影時的舒適感。

4.2 臥室場景模式設計

根據消費者的不同需求，綜合考慮臥室場景實用性以及用戶舒適度等多方面條件，將臥室設計分為書房模式、睡眠模式、梳妝模式3種模式。不僅節省了空間，同時可實現臥室根據不同時間、不同用戶需求在3種模式之間的自由變換。進而適應小戶型住戶的不同需求，增大臥室活動空間的同時獲得更佳的家居體驗。

4.2.1 工作模式

在工作模式下，床與梳妝臺保持在天花板高度。書架通過采用L形軌道機構，實現工作模式下書架的橫縱向轉換以及高度調節，即書架可實現由天花板上的橫向收納切換為墻面上的豎直排列，同時，書架在豎直方向上高度可調節。書桌通過采用絲桿升降機構，實現書房模式下書桌從天花板高度下降至相應工作高度。

書房模式可適應用戶居家工作或學習的情況，在合理利用臥室空間以及天花板面積的同時，也使書房模式下的臥室更加簡潔美觀，提高工作效率。

4.2.2 睡眠模式

在臥室睡眠模式下，書架與書桌自動運動至天花板高度，床同樣通過采用絲桿升降機構，實現床由天花板高度下降到地面高度的運動。同時，睡眠模式下智能控制機構控制窗簾自動關閉，并控制臥室燈燈光由亮漸漸變暗。

睡眠模式在節約臥室空間的同時充分考慮了小戶型住戶居家睡眠多方面的的舒適性，有助于提高用戶睡眠質量。

4.2.3 梳妝模式

睡眠模式調節為梳妝模式，梳妝臺同樣通過雙軸電機帶動兩端鋼絲通過定滑輪實現直線升降，實現梳妝臺由天花板高度下降到地面高度的運動。同時，梳妝模式下智能控制機構控制窗簾自動打開，臥室燈根據環境亮度自動調節燈光亮度。

梳妝模式可適合用戶梳妝的情況，在節約臥室儲物空間的同時，便于對梳妝相關用品的歸納整合。

4.3 廚房場景模式設計

廚房儲物柜通過采用L形軌道機構，實現廚房儲物柜的橫縱向轉換以及高度調節，即廚房儲物柜可實現由天花板上的橫向收納切換為墻面上的豎直排列。同時，廚房儲物柜在豎直方向上高度可調節。

廚房儲物柜在豎直排列狀態下便于用戶取用物品，在天花板上的橫向收納狀態下灶臺空出的面積可留作放置菜肴等用途，解決了小戶型廚房面積過小儲物空間不足的問題。

4.4 衛生間場景模式設計

針對小戶型衛生間面積較小的問題，考慮到用戶洗浴和如廁等多方面需求以及用戶舒適度和場景實用性。將衛生間設計分為洗浴模式和如廁模式2種模式。在保證衛生間功能的前提下節約空間，使衛生間更加簡潔美觀。

4.4.1 洗浴模式

在洗浴模式下，通過絲桿升降機構，實現衛生間活動天花板的升降，安裝在活動天花板上的折疊浴缸以及沐浴花灑隨之下降到適宜高度。浴缸的給排水管道采用快捷接頭，浴缸下降至一定高度，則壁面管道與浴缸管道無縫接合，解決升降浴缸的出入水問題。

4.4.2 如廁模式

在如廁模式下，安裝有折疊浴缸及沐浴花灑的天花板上升至頂端。此模式下用戶可正常使用馬桶及洗手臺。洗浴模塊與如廁模塊的分離設計實現了衛生間的干濕分離。

5 項目的研究基礎和可行性分析

5.1 控制系統設計

該裝置的控制系統是以智能化為前提，為保證裝置在工作狀態下的穩定性和可靠性，設計了合理的控制系統。將整體裝置分為2個子系統，每個子系統包含多個模塊，其中包括客廳投影屏絲桿步進電機模塊、茶幾轉軸減速步進電機模塊和安全裝置推拉式電磁體部分等。該系統以PLC為控制核心，通過多路步進電機控制器來控制絲桿步進電機和減速步進電機的運作來實現絲桿升降、電磁鐵推拉機構等運動。

對于整體裝置控制部分，以電機為類分別建立了幾個模式。將客廳中鞋柜和投影屏中的絲桿步進電機歸為一類，利用絲桿步進電機進行升降。將臥室中床和梳妝臺中的絲桿步進電機歸為一類，利用絲桿步進電機進行升降。整體系統控制流程如圖3所示。

5.1.1 推拉式電磁鐵控制部分

推拉式電磁鐵的性能強弱是由線圈的匝數的多少來決定的。它應用了螺旋管的漏磁通原理，結構牢固，利用電磁鐵動鐵芯和靜鐵心長距離吸合，行程可以達到40～50mm及以上。為實現牽引桿的直線往復運動，采用電源加電控轉換，大功率啟動，小功率維持的原理。利用推拉式電磁鐵可靠的固定特性和穩定的移動方式，應用在茶幾的安全裝置中。將茶幾上的4塊電磁鐵一起通過電流控制板串聯到客廳的主控制板中，通過調節電磁鐵的電流來控制拉桿的推拉實現安全卡扣的開合。

5.1.2 步進電機控制

圖4為步進電機的驅動電路圖，其中步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。通過控制板控制步進電機驅動器來控制步進電機，具體可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。

圖4 步進電機的驅動電路圖

5.1.3 三菱FX2N-48MT

本項目用梯形圖進行編程，通過PLC實現對電機、步進電機、電動推桿等驅動，并加上限位開關和光電開關控制行程。由于PLC的可靠性和令人放心的高性能、高速運算，在實際中也可以放心應用。

5.2 總體尺寸設計

根據國家統計局的《人民生活實現歷史性跨越 闊步邁向全面小康——新中國成立70周年經濟社會發展成就系列報告之十四》中指出2018年城鎮居民人均住房建筑面積達到39.0m2。以一戶70m2戶型的雙人住房為例，臥室擬定為3.0m×4.0m，客廳擬定為5.0m×4.0m。相關文獻表明，該設計符合最佳客臥面積比例。

參考相關文獻，擬設計的住房凈高2.7m，頂部系列機構擬定0.3m的工作范圍，其高度為3.0m，滿足現今建筑設計要求。本項目中，以模型的形式對構型進行縮小制作，以客廳臥室為表現主體，展現項目主要設計。模型設計的總體尺寸為1570mm×800mm×630mm。

智能天花板家居的設計是一個多模塊分散式的設計，以不同機構組合形式對不同適度的家居進行設計，在不影響現在家居體系的設計下，實現家居的升降改造，并通過控制模式的協調，實現不同家具在不同模式下的不同功能，以實現單獨空間的重復利用。本產品的尺寸根據人機工程學與常用家居尺寸進行設計，在機構運動和力學分析的基礎上，符合安全標準。