一種新型智能晾衣架系統設計

朱 磊，李 輝，李廣政，羅 聰，彭 旺，謝 科，王佳兵

應用研究

一種新型智能晾衣架系統設計

朱 磊，李 輝，李廣政，羅 聰，彭 旺，謝 科，王佳兵

（邵陽學院電氣工程學院，湖南邵陽 422000）

為解決南方地區梅雨季節晾曬的煩擾，實現綠色節能、智能化的目的，提出一種自動遮蔽、風干、滅菌的智能晾衣系統設計：由晾衣架、自動遮蔽、風干和滅菌、環境監測、太陽能儲能和人機交互等模塊部分組成。通過太陽能為整個系統供電，然后根據不同環境條件下或者手機上控制晾衣架的伸縮、防雨布的展開與復原、側板開合以及風機、紫外線燈的工作，可以實現衣物自動晾曬、回收，不用擔心衣物被雨滴淋濕及不干、細菌滋生等情況出現，其工作較為理想的結果，具有較好的推廣價值。

晾衣架 自動遮蔽 太陽能 人機交互

0 引言

隨著科技快速發展，智能家具系統引起了人們廣泛關注，晾衣架作為智能家居的重要組成部分[1]，其產品種類豐富，功能不盡相同。當前市面上有很多不同的晾衣架設計，總的分以下幾種：第1種是手動伸縮晾衣架，其主要特點是比傳統晾衣架更加容易實現方便了衣物晾曬與回收，其缺點是不能根據天氣的狀態自動回收，可能不能及時收取，會被雨滴打濕；第2種是電動伸縮晾衣架。主要特點是比第1種晾衣架更加省時省力，其缺點是一般這種晾衣架都很大型，不適合居民小區這種密集的地方，且用戶要承當的價格也要更高，更沒有自動遮蔽系統，不能有效的防止雨滴打濕衣物﹔所以針對南方地區的梅雨季節、“老弱病殘幼”的家庭、人口密集的宿舍區等，市面上現有晾衣架已經不能滿足，這些地區存在陰雨連綿，或晾曬衣物集中，或室外晾曬區不夠用等問題。不僅如此，如果晾曬的衣物不及時被收取，不僅會占用有限的晾曬區，還有可能會因天氣原因而被雨淋、暴曬、發霉，細菌滋生等給生活帶來極大的不便。因此，研究設計一種可遮蔽、風干、滅菌智能晾衣架具有十分重要意義。本文中設計智能晾衣架，可以有效的解決人們對現有市場上的晾衣架存在不足之處的痛點，晾衣架通過太陽板進行光合發電，將電量儲存在蓄電池中，為晾衣架工作提供綠色能源。

1 系統總體設計介紹

以STM32F103C8T6為主控制芯片，用溫濕度傳感器、光照強度傳感器、雨滴傳感器等環境監測模塊收集環境參數[2]，單片機采集這些環境參數，再編寫相應程序以控制驅動電路，進而控制步進運行，使實現晾衣架的伸縮和自動遮蔽部分的運行，防止衣服被雨滴淋濕和長時間暴曬。傳感器將環境參數傳入單片機，單片機自動分析，當溫濕度達到設定參數和光照強度達到預設定參數時，裝置自動運行，步進電機控制晾衣架伸展、側板展開和防雨布的收回。當空氣濕度或光強不符合晾曬條件時，步進電機控制側板合上，同時風機和紫外燈打開，幫助衣服快速風干和除菌。本晾衣架也可直接使用手機端APP 進行人工調節，方便了用戶控制晾衣架，具有良好的交互體驗。其系統框圖和三維模型圖1和圖2所示。

圖1 系統框圖

圖2 晾衣架三維模型圖

（1-紫外線燈；2-晾衣架；3-防雨布；4-排風口；5-風機；6-太陽能板；7-步進電機以及傳動齒輪；8-側板）

2 系統硬件設計

2.1 主控制芯片

主控制芯片采用STM32F103C8T6控制芯片。STM32F103C8T6是一款基于Cortex-M3內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是128KB，是一款中容量的芯片。其內部資源十分豐富，包括電源電路、時鐘電路、復位電路及下載電路等[3]。本系統采用這款芯片作為主控制芯片，能夠快速執行相應操作。

2.2 步進驅動模塊

因為步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進行驅動[4]，所以本系統選用的步進電機驅動為TB6600。TB6600是一款專業的兩相步進電機驅動器，兼容多種單片機，可實現步進電機正反轉控制，旋轉角度控制等功能。TB6600步進電機驅動器采用H橋雙極恒相流驅動，可直接用9～42 V直流供電，可選擇7檔細分控制，8檔電流控制。最高支持4 A電流輸出，信號端都有配有高速光電隔離，防止信號干擾，并且支持共陰、共陽兩種信號輸入方式。本系統采用共陽級接法如圖3所示。

圖3 共陽極接線圖

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是DHT11數字式溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。其具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點，所以滿足本系統中對溫濕度的檢測要求。DHT11采用單總線通信，即只有一根數據線來傳輸數據，單總線通常需要外接一個上拉電阻，這樣在總線空閑的時候，狀態為高電平。單片機一根引腳與數據通信引腳接口DATA相連，進行通信。

2.4 雨滴傳感器

雨滴傳感器采用高品質FR-04雙面材料，超大面積5.0×4.0 cm，并用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化，導電性，及壽命方面更優越的性能。該傳感器可用于各種天氣狀況的監測[5]，檢測是否下雨及雨量的大小，轉成數字信號(DO)和模擬信號(AO)輸出。所以可以根據輸出高低電平判斷是否有雨情況，也可以連接到模擬量接口，就可以檢測雨量大小。

2.5 光照強度傳感器

光照強度傳感器采用光敏電阻模塊檢測光照強度。光敏電阻模塊里面光敏電阻是由半導體材料制作而成的。光敏電阻利用半導體的光電效應，其阻值和光照強度成反比。光敏電阻對環境光線十分敏感，光照越強阻值就越低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低[6]。光敏電阻模塊模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉換，單片機進行AD采集就可以獲得環境光強精準的數值，然后根據數值大小判斷光照強度。

2.6 風力強度傳感器

風力強度傳感器采用三杯式風速傳感器[7]，此類風速傳感器重量輕,便于攜帶，整體結構采用聚碳酸酯材料，防腐蝕且不易老化。產品內置有強抗射頻、抗電磁干擾及防雷浪涌保護電路，輸出與環境風速成線性關系的電信號，同樣單片機可以通過AD采集，來獲得電信號的數值大小，從而風速強度。

2.7 無線通信模塊

無線通信模塊采用HC-05模塊，一款高性能主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機等智能終端配對[8]。該模塊優點是靈敏、易開發、性價比高。當我們手機APP與藍牙模塊進行配對后，就可以單片機與手機進行相互通信。

2.8 電源模塊

電源模塊采用太陽能供電板和太陽能蓄電池兩部分組成。太陽能供電板的光伏發電效應，對太陽能進行利用，實現綠色能源利用。太陽能蓄電池可以儲存電能，從而時晾衣架系統能夠在沒有陽光下的條件下也能正常工作。當側板打開時，夾角成180度能夠使太陽能板充分吸收太陽能，利用太陽能發電供給整個晾衣架系統運行工作，剩余的電能將自動儲存在太陽能蓄電池中。當因為遇到下雨天等惡劣天氣時，側板需要關閉，此時蓄電池儲存的電能也能供給整個晾衣架工作。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

主控制芯片采用STM32F103C8T6，可采用C語言和Keil軟件進行編程。首先在單片機編寫對應初始化程序，然后外界的數據先經過各個模塊的采集，然后經A/D轉換，再將信號交由單片機進行數據分析處理，然后發出相應控制信號，進而實現相應的功能。此外，本系統設計還帶無線通信模塊，用戶可以隨時在手機端操控整個晾衣架的運行方式。整個晾衣架系統主程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 主程序設計流程圖

3.2 手機端程序設計

晾曬端的工作方式分模式 “自動晾曬”和“定時晾曬”模式，其工作方式切換是通過單片機與藍牙模塊接收到手機端的控制指令決定，本系統選用型號為HC-05的藍牙模塊與手機APP端進行通信。當工作方式切換到“自動晾曬”模式時，雨滴傳感器、溫濕度傳感器、風速強度傳感器、光照強度傳感器等開始工作，實時監測晾衣架周圍環境因素，如光照強度、溫濕度、風力大小，各個模塊將采集好的數據，傳輸給單片機，單片機可以處理這些數據，然后控制驅動電路自動實現晾衣架相應功能。當工作方式切換到“定時晾曬”模式時，在手機APP端可以點擊對應按鈕設置晾曬時間，當時間到達時晾衣架自動收縮，方便了用戶隨時進行對整個晾衣架工作控制。其設計流程如圖5所示。

4 實驗結果與分析

在晴朗、風和時進行試驗，晾衣架正常伸縮，側板可以展開成180度，防雨布可以回收；在雷雨、大風時進行試驗，晾衣架正常伸縮，同時側板可以合攏，防雨布可以展開。其實驗數據如表1所示。注：自動遮蔽系統由側板、防雨布組成；風干、滅菌系統由風機、紫外線燈組成。

圖5 手機端程序設計流程圖

表1 樣機在不同天氣功能測試統計表

天氣晴朗、風和雷雨、大風 晾衣架正常正常 自動遮蔽系統正常正常 風干、滅菌系統正常正常

分析表1的數據可得，實驗樣機能在面對不同的天氣情況下，各個部分的功能也都正常工作，整個晾衣架系統處于運行穩定的狀態。

5 總結

本文設計的新型智能晾衣架系統可以由各種環境傳感器監測到不同天氣情況以此來實現晾衣架伸縮以及防水、防大風、風干、滅菌等的功能。解決了用戶擔心晾曬衣服時，因天氣原因而被雨淋、暴曬、發霉，細菌滋生等問題，而且價格合適，是大部分人能接受并且會喜愛智能化家居，所以本裝置具有廣闊的市場需求。

[1] 秦敏. 基于ZigBee的智能家居控制系統的研究[D]. 河北: 河北大學, 2014.

[2] 俞梁英. 高精度脈沖電鍍電源控制系統設計[J]. 電鍍與環保, 2015, 35(6): 42-45.張自信. 表面織構化柔性摩擦副的摩擦特性研究[D]. 山東: 山東科技大學, 2020.

[3] 東華大學. 一種多功能一體化智能窗系統: CN202121611754.2[P]. 2021-11-30.

[4] 林關成. 基于STC89C52單片機的智能晾衣架控制系統設計[J]. 計算機與數字工程, 2021, 49(1): 55-58, 147.

[5] 梁濤, 馬江穎, 師懷喜,等. 向日葵式太陽能尋光充電系統[J]. 新一代信息技術, 2020,3(16): 18-21.

[6] 李強. 基于FPGA的快速核素識別方法及其儀器研制[D]. 四川: 西南科技大學,2018.

[7] 張文倩,齊愛學. 仿生學太陽能智能晾衣系統設計[J]. 電子設計工程, 2015(8): 38-41.

Design of intelligent clothes drying rack system

Zhu Lei, Li Hui, Li Guangzheng, Luo Cong, Peng Wang, Xie Ke, Wang Jiabing

（Department of Electrical Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422000, China）

TS959

A

1003-4862（2023）02-0038-04

2022-07-04

朱磊（2000-），男，本科，從事MCU應用與嵌入式系統設計。Email：2506623901@qq.com。

李輝（1984-），男，碩士，副教授，從事自動化專業教學及嵌入式控制系統等方面的研究工作。Email：2506623901@qq.com。