智能晾衣系统

◇常州机电职业技术学院机械工程学院 张宇 汤志鹏 袁志刚 顾秋宇 靳敏

随着现代都市生活水平不断提高，为解决人们因工作、外出而不能及时收回晾晒在阳台外的衣服的问题，本文设计了一套智能晾衣系统。该系统通过搭载的温度、湿度、风速、光照传感器自动感知室外温度、湿度、风力和关照强弱的变化，自动控制晾衣架伸出窗外或收回室内，具有反应灵敏、操作简单、安全可靠、适合老旧小区改造及新小区统一加装的特点。

1 引言

随着人们对生活质量的要求越来越高，智能家居的需求也越来越多[1]，尤其需要能够根据环境变化自动执行预定功能的智能家居，本文所设计的智能晾衣架就是在这样的产业需求背景下产生。传统衣架只能固定在屋内或者屋外，屋内晾衣时，晴天效率较低；屋外晾衣时，阴雨天气无法自动回收[2-3]，室内常用的可升降结构由于采用滚轮和钢丝绳结构，容易锈蚀，影响使用效果。而目前市面上已有的智能晾衣系统或是结构复杂不可靠；或是功能不足，缺少实际应用的价值[4]；或是价格昂贵；或是仍然停留在设计图纸上[5-6]，其普遍应用不广。因此，急需一款智能化晾衣架系统在雨雪大风天气能反应灵敏的自动收回衣服，不需要人为操作且价格便宜，易于普及。

2 设计思路

该智能晾衣系统通过光感、湿度、温度等传感器实时监测室外天气状况，并反馈给控制系统，控制齿轮齿条传动机构开启或者关闭窗户，同时自动执行将晾衣杆伸出阳台或者缩回室内的动作。系统机构简单可靠，在停电等突发情况下可以手动将衣架收回室内。后续可根据用户需求，可升级为物联网实时控制、远程控制，总体设计框架如图1所示。

图1 智能晾衣系统总体设计框架图

3 设计方案

3.1 机械传动方案设计

智能晾衣系统采用结构简单、价格合理的方案设计其主要的机械传动结构，同时需要满足适应旧房晾衣系统改造，其主要结构如图2所示，主要包括控制部分（控制器）、驱动部分（移窗电机和伸缩杆电机）、固定框体部分（窗体）以及移动框体部分（内框推杆和伸缩外框和伸缩齿条）。

图2 晾衣系统机械传动结构简图

晾衣架布置在方形的内外框结构下，夜间或者不适合晾晒天气条件下，窗户关闭，且伸缩电机将内外框完全缩回室内。当系统检测到室外适宜晾晒衣物时，移窗电机驱动窗户左右开启。窗户完全开启后，室内伸缩齿条下方的伸缩电机启动，驱动齿轮与内框推杆向窗外伸出，晾衣架移动中的状态如图3左图所示。当外框完全伸出窗外，为方便衣服更好的接触阳光，晾衣架上布置有间隔均匀的晾晒孔，便于衣物在室内或室外都能保持适当的间隔，晾衣架完全伸出在室外的状态如图3右图所示。

图3 晾衣架移动状态以及室外的状态

气候突变的条件下，移窗电机将窗户左右完全开启，之后伸缩电机将内外框推杆收回，晾衣架收回室内，晾衣架完全收回室内状态下，伸缩外框可以将窗户横梁上的孔封闭，以防止雨水倒灌，横梁上的孔为内外框的伸缩提供了足够的运动空间。当检测到晾衣架被完全收入室内后，移窗电机开始启动，左右窗户等速向中间靠拢直至完全关闭，此时窗户处于完全密封状态，避免风和雨水的倒灌，晾衣架在室内的状态如图4所示。

图4 晾衣架在室内的状态

由于该系统采用齿轮齿条作为驱动连接件，该晾衣系统在停电等紧急情况下，通过手动控制可以较方便的收回晾衣架，关上窗户，避免断电或者其他电路故障情况下无法完成晾衣系统晾晒收放工作。系统的机械结构部分采用齿轮齿条，其结构简单、操作方便并且维护简单，比市面上传统晾衣架应用的滑轮或者钢丝绳等结构更加安全可靠，有效的延长了晾衣架的使用寿命。

恶劣天气下衣物会被收回室内，因此无需考虑恶劣工况下的晾衣系统受力情况，系统仅需承受晾晒衣物重力。当衣架完全伸出或者完全缩回时，衣架在衣物重力作用下整体受力模型类似悬臂梁结构，伸缩外框或者伸缩内框正好处于横梁上的方孔中，不仅挡风遮雨，还能有效的借助窗体上梁框架，减少衣架悬臂梁结构的外悬伸量，依此减小衣架的弯曲变形，有效的提高了衣架的承载能力。

3.2 硬件电路方案设计

新型智能晾晒系统能根据外界环境条件，无需人为干预，自动执行最佳的晾晒方案。控制系统驱动机械传动结构，实现晾衣工作，其主要控制系统采用HP070-33一体控制器，风速传感器、温湿度传感器、光照传感器检测风速、温度、湿度和光照数据，判断环境条件同时驱动晾衣架伸缩电机和窗户开关电机执行最佳晾晒方案。本系统传感检测装置中未选用雨滴传感器，由于雨滴传感器灵敏度及系统反应时间等原因，当系统检测雨滴落下之后，衣服已经潮湿，且下雨之前空气中的湿度较大，利用温湿度传感器综合判断晾晒条件比采用雨滴传感器效果更好。对于老旧小区，在窗户檐加上可拆卸式透光的有机玻璃板挡防止鸟屎或上层落物，也能一定程度防止雨雪淋湿衣物。

本系统利用德控森社DK-3003-CFSFX-N01型超声波风向风速传感器检测气流，通过气流对传感器转换的电流或者电压的变化值，换算得到实际的风速和风向。当风速超过系统默认阈值8m/s或人为预先设定值时，系统自动认定风速过大，容易吹落衣物，不适合晾晒。当风向由下向上时，可能导致衣物脱落，被认定为不适合晾晒。

本系统利用美控MEACON-RS485型温湿度传感器检测当前空气的温度和湿度，传感器检测到的数据转换为电压值或者电流值输入一体机，当湿度大于系统默认的80%或者人为预先设定值时，系统自动认定潮湿程度过大，不利于衣物晾干，系统自动将衣物收进室内并完全关闭窗户，避免衣物淋雨或者淋雪。当外界温度达到系统默认阈值45℃时，传感器将电信号传输给一体机，自动设定30分钟后收回晾衣架；当外界温度低于系统默认的阈值8℃时，则以其他传感器的设置阈值作为判断是否执行的条件，避免因为温度低而湿度不高错过较佳的晾晒条件。

本系统利用建大仁科的光照度传感器测量当前的光照强度，将其转换为电压值之后输入一体机处理，当光度小于系统默认阈值2500SI或者小于人为预先设定值时，系统自动认定天气转阴或者接近天黑，不适合将衣物在外晾晒，系统自动收回衣物并关闭窗户。

各类传感器采集到的数据输入HP070-33型一体控制器中，控制器中存储的程序能够让晾衣系统实现自动工作。如符合条件，则马达得电，传动系统工作。移窗马达得电，窗户开启，完全开启后触发限位的行程开关，使伸缩马达得电，驱动晾衣架伸出窗外，完全伸出后触发行程开关，移窗马达工作，窗户移动到关窗位置，完全关闭后触发行程开关，马达停转，即实现晾衣功能：窗户完全打开—衣架完全伸出—窗户完全关闭。此时晾衣架至指定位置，窗户关闭，晾衣过程结束。当传感器给一体控制器信号，则实现收衣的功能，即：窗户完全打开—衣架完全缩回—窗户完全关闭。系统的控制电路图如图5所示。

图5 控制系统电路图

4 结束语

新型智能晾晒系统是一种基于环境感知型的智能装置，它主要利用光感、湿度、风速三类传感器来采集周围环境的各项指标参数，以HP070-33型一体控制器作为主控单元，将各项环境参数与系统默认或者人为设定的阈值进行比较，驱动移窗马达和衣架伸缩马达，利用简单耐用的机械结构实现自动晾衣的功能。本系统设计重点考虑了衣服晾晒的一些基本功能，随着人们需求日益增加，将会对智能晾衣系统提出更高要求，后续可通过升级硬件设计、增加软件设计，实现物联网实时控制与远程控制，以解决更多更复杂的应用问题。