基于物聯網的自動存取鞋柜控制設計

戚欣妍，張 陳，譚若瑤，周麗琳，孫 萌，胡文豪

（江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

目前，市面上多數智能鞋柜只能對鞋子進行除臭、保養以及殺菌等操作。此外，也有一些企業為大型商場和公共場所生產某種工業自動存取柜[1-5]。然而，至今為止在智能家具領域還沒有一種可以實現存鞋與取鞋過程自動化的鞋柜。因此，為了適應大部分群體對新型智能家具的需求并填補市場空白，鞋柜自動存取控制系統亟待開發。

鞋柜本身擁有龐大的銷售市場，而智能鞋柜作為老式鞋柜的高科技化產品，它的市場前景不可估量，它可以取代傳統鞋柜，滿足消費者的潛在需求，迅速占領市場[6-7]。智能鞋柜融合了目前電器領域最頂尖的智能技術，從功能性、美觀性、審美性、科技性方面都具有良好的特性，受到發達國家消費者的熱力追捧，目前中國市場也初露消費傾向[8-10]。本文基于物聯網模塊與下位機PLC 控制器通信交互方法設計了一款智能鞋柜，結合手機智能云平臺實現控制，用戶可以利用手機云平臺人機界面自行選擇自己需要的操作。

1 系統總體設計

鞋柜整體由上下兩部分構成，首先是下半部分的物聯網自動存取鞋柜，其次是上半部分根據日常用途設計的傳統鞋柜。下半部分物聯網自動存取鞋柜主要實現兩種運動：一是放置點與存取平臺之間的內部前后運動；二是存取平臺的外部平面運動。內部前后運動通過帶傳動實現，外部平面運動通過兩臺伺服電機連接滾珠絲杠傳動機構實現。下半部分自動存取鞋柜采用蓋板封裝，使用螺釘連接固定，結構簡單易于維護。此外，利用螺釘將外部平面運動機構固定在自動存取柜體中。上半部分傳統鞋柜通過門鉸鏈連接門與柜體，采用螺釘連接門與把手，抽屜放于中間。三維總體裝配如圖1所示。

圖1 三維總體裝配示意圖

2 系統元器件的選擇

本設計綜合經濟效用、產品性能選擇各種元器件，具體見表1 所列。

表1 系統元器件

3 電氣接線方式設計

由于總共有10 個鞋子放置點和1 個存取平臺，故一共需要11 個直流電機以及22 個直流繼電器以實現直流電機正反轉。物聯網模塊與PLC 控制器相連，X軸與Y軸伺服驅動器各搭配1 個端子排以方便接線。X1、X2、X3、X4分別連接四個行程開關，作為兩個滾珠絲杠傳動的四個極限位置。模擬運行平臺電氣接線如圖2所示。

圖2 電氣接線方式

本次設計使用伺服電機時采用的是位置控制方式，故每臺伺服電機各有兩個信號輸出點，即脈沖信號和方向信號。在這兩個信號的控制下就可以使伺服電機精確運動，實現通過滾珠絲杠傳動運動的存取平臺與對應放置點精確對應。

4 系統軟件設計

4.1 系統控制流程設計

綜合多方面考慮，本設計使用PLC 控制程序。根據設計所需實現的相應功能，本課題選擇三菱旗下FX3U 系列PLC控制器，型號為FX3U-64MT/ES-A。控制系統程序流程如圖3所示。

圖3 控制系統程序流程

4.2 物聯網模塊

本設計使用的物聯網模塊是創恒P432B，其擁有云平臺以及VPN 遠程更新與編程功能，方便實現遠程維護和設備更新。創恒P432B 擁有完備的服務體系、地圖監控、組態監控、設備管理、智能網關、定時任務等功能。P432B 支持有線WAN 口、LAN 口、WLAN 網絡以及4G 網絡接口，支持一路串口到網絡數據透傳的功能。在工控聯網、智能電網、個人醫療、智能家居等這些需要數據傳輸的領域有較大的應用優勢。先將PLC 與P432B 相連，實現PLC 控制器與物聯網模型通信，在云平臺中添加主機實現計算機與PLC 通信；然后在云平臺中建立物聯網人機界面，使手機可以控制PLC控制器；最后，用戶使用時打開微信小程序中的人機界面即可控制整個系統。用戶可以通過此微信小程序控制整個系統，這樣就可以自行選擇鞋子的存入或取出，一切由自己控制。此外，用戶可以根據自己的需求對人機界面進行優化，例如按鈕、提示等。

5 系統調試

5.1 電氣元件測試

行程開關的調試：將行程開關的一端接入PLC、另一端接入COM 端即可，當行程開關按下時PLC 控制器輸入端信號發生變化則表明行程開關調試完畢。

伺服電機的調試：利用MELSOFT MR Configurator2 在無程序輸入環境下對伺服驅動器以及伺服電機進行運行測試。分別點擊圖中正轉與反轉圖標測試伺服電機能否進行正反轉運行，再點擊強制停止按鈕測試伺服電機緊急停止開關是否能正常工作。若上述兩項均無問題，則表明伺服驅動器與伺服電機均無問題。

5.2 關鍵程序調試

手動模式程序調試：將GX Works2 中編寫的PLC 程序遠程寫入PLC 控制器。通過GX Works2 監視模式觀測PLC狀況，利用手機云平臺控制輔助繼電器，分別測試X軸與Y軸伺服電機；然后利用云平臺繼續測試存取平臺與對應放置點的各個直流電機，由于直流電機是通過中間繼電器實現正反轉的，所以直流電機實現正反轉即表明中間繼電器運行正常且無故障。

自動存入系統調試：首先利用GX Works2 編寫自動存入的PLC 程序，再通過物聯網模塊將程序遠程寫入PLC 控制器；接著在手機端利用云平臺開始測試。

自動取出系統調試：完成自動存入系統調試之后，修改程序并將新的程序另存為自動取出程序，通過物聯網模塊將程序遠程寫入PLC 控制器。

在調試完各個子系統后，將完整的PLC 控制程序通過物聯網模塊遠程傳輸功能寫入三菱PLC 再進行實際測試。

6 結語

智能家居的快速發展，在日常生活中為人們節約了很多時間。其中物聯網自動存取鞋柜的出現，進一步提高了人們的生活質量。本文所設計研發的物聯網自動存取鞋柜在當前市場上未有相似產品，不僅擁有傳統鞋柜的儲存功能，還能實現自動存取，填補了智能家居市場上的一個空白。雖然目前成本控制與產品設計方案并不完善，但是在便捷性方面已經能滿足人們的需求。本設計采用物聯網作為傳輸媒介實現自動存取是追逐時代潮流、引領新型技術發展的體現，對社會進步和發展有著深遠意義。