基于物聯網技術的雙碳型智慧晾衣架

◎湖南省株洲市二中初中部2103班 全柯睿 鄧力鋮

本期點評專家

譚迪熬 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

隨著生活節奏越來越快，人們花在晾曬衣服上的時間越來越少，雨天常常無法及時收回衣服。同時，隨著“雙碳”理念的提出，人們越來越重視對綠色能源的利用。鑒于此，我們發明了基于物聯網技術的雙碳型智慧晾衣架。

一、工作原理

1.能源供應

智能晾衣架的能源一般有三種來源：一種是市電，一種是自行提供，一種是蓄電池。本裝置響應國家“雙碳”政策，利用“高樓風”發電。

2.智能控制

本裝置利用風力發電機驅動電機，利用單片機作為中央處理器，通過物聯網技術遠程控制移動終端，完成晾衣架的伸展、收回。

正常情況下，當達到預設時間且光敏傳感器模塊讀取到的光照強度高于預設值時，時鐘模塊發出指令使直流電機轉動，晾衣架機械系統工作，完成衣服的晾曬。當雨滴傳感器讀取到的雨量值大于預設值時，單片機接收到收衣服的信號，同時發出指令使直流電機轉動，帶動晾衣架機械系統工作，收回衣服。

為滿足使用者個性化的需求，我們在系統中加入了通信模塊，利用移動終端對系統進行控制。

二、系統結構

整個系統由風力發電機、開發板、光敏傳感器模塊、雨滴感應模塊、遠程終端、時鐘模塊、故障模塊和各類電子元器件組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

三、硬件設計

1.晾衣架

晾衣架的機械部分采用三連桿結構，由風力發電機、電機、滑輪、纜繩、控制箱（內部集成單片機、光敏傳感器模塊、遠程終端、通信模塊、時鐘模塊、雨滴感應模塊、故障模塊）等組成，如圖2、圖3所示。

圖2 晾衣架側視圖

圖3 晾衣架正視圖

晾衣服的工作流程為：電機驅動滑輪正向旋轉，釋放纜繩，在重力作用下，晾衣架伸展，實現衣服晾曬。收衣服的工作流程為：電機驅動滑輪逆向旋轉，收緊纜繩，晾衣架收攏，收回衣服。

2.風力發電機

選用SMC-F300H垂直軸微型風力發電機，它能在風向不定的情況下持續穩定運行，對安裝環境的要求較一般風力發電機要低，具有適應性強、風速低、風能利用率高的特點，非常適用于居民聚集區。

3.電機

選用精密N20直流減速電機，它采用全金屬齒輪結構，力矩更大，更牢靠，噪聲更低。

三、控制系統

本裝置的控制系統包括主控芯片、電機驅動模塊、通信模塊、雨滴感應模塊、光敏傳感器模塊、故障模塊等。

1.主控芯片

主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，它具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點。

2.電機驅動模塊

電機驅動模塊利用L298N驅動芯片對電機進行控制。通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進行設定，即可驅動電機正、反轉，操作簡單、穩定性好。

3.通信模塊

單片機通過無線傳輸模塊與移動終端連接。無線傳輸模塊采用體積小、功耗低的ESP8266芯片。

4.雨滴感應模塊

雨滴感應模塊采用穩定性好、可靠性高的DHT11數字溫濕度復合傳感器，能同時獲取溫度與濕度兩個數據。

5.光敏傳感器模塊

光敏傳感器模塊采用NHZD10傳感器，它具有結構牢固、密封性好、穩定性好、測量精度高、抗干擾能力強等特點。

6.故障模塊

故障模塊包括電流傳感器和位置傳感器。

當天氣和預設時間滿足條件而電機未轉動時，電流傳感器感應不到電流，電流傳感器發送故障信息給單片機。位置傳感器被設置于蝸輪蝸桿傳動機構中，當晾衣架未到達相應位置時，位置傳感器發送故障信息給單片機。

電流傳感器和位置傳感器分別與單片機連接，單片機通過無線傳輸模塊發送故障信息至用戶手機。

四、軟件設計

我們通過設定程序，使裝置實現以下功能。

1.自動晾曬

利用時鐘模塊，設置8：00晾曬，18：00收回。晾曬期間，晾衣架通過雨滴感應模塊實時監測天氣是否下雨，遇雨則收回衣服；通過光敏傳感器模塊檢測是否出太陽，如出太陽則晾曬衣服。

2.個性化設置

本裝置利用物聯網技術實現個性化設置，用戶可以根據自己的需求提前設置晾曬衣服的起止時間。

3.設備故障報警

當裝置出現故障時，會自動發送故障信息給用戶，提醒用戶進行手動操作或及時維修。

五、實驗驗證

為驗證裝置的性能，我們在不同時段、不同氣候條件下對裝置進行了多次情景模擬實驗。實驗數據表明，該裝置能達到預定目標。

專家點評

全柯睿、鄧力鋮同學的“基于物聯網技術的雙碳型智慧晾衣架”是一件具有社會首創性的創新實踐項目。從選題來看，它是一件“老題新做”的作品。文中技術應用的內容較多，研究過程也較為嚴謹，體現了指導老師想通過實施項目激發學生科研潛質的初衷。同時，這個項目的完成也充分展現了兩位同學的探究能力和對相關技術的應用能力。

值得商榷是：其一，現在很多晾衣架都有烘干功能，花這么多的精力來研究這個老課題，是否有必要？即使有必要，也應在研究背景中給出分析數據，讓人信服。其二，該項目名稱中的“物聯網技術”“雙碳型”“智慧”等概念，一方面確實會讓人眼前一亮，但另一方面也有博人眼球之嫌。