李靈翼　嚴建輝　馬銜石　賴麗娟

一種落地式智能天氣衣架的設計與實現(xiàn)

李靈翼嚴建輝馬銜石賴麗娟

（華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510630）

為了使因環(huán)境所限需要使用落地式衣架的用戶也能擁有一款智能衣架，文章提出了一種利用物聯(lián)網(wǎng)思維對傳統(tǒng)落地式衣架實現(xiàn)智能化改造的方案。利用樹莓派、單片機、傳感器、直流電機并通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)用戶遠程查詢信息，采用遠程遙控或自動控制兩種方式控制衣架的移動，實現(xiàn)推出和收回操作。該設計操作簡單，交互良好，具有一定的推廣應用前景。

落地式衣架；樹莓派；物聯(lián)網(wǎng)；MQTT協(xié)議應用

引言

隨著我國互聯(lián)網(wǎng)、智能家居產業(yè)的發(fā)展，智能家居已走進普通家庭。有很多學者對晾衣架的智能化進行了研究。衣架的智能化主要有兩種實現(xiàn)方式，一是通過加入雨滴和光線傳感器等實現(xiàn)衣架的智能收放[1]，二是通過藍牙、WiFi實現(xiàn)遠程遙控收放[2,3]。第一種設計無法實現(xiàn)晾衣架與用戶的交互，第二種設計受限于藍牙和WiFi的作用距離，無法實現(xiàn)真正意義上的遠程交互。同時，多數(shù)學者[4-6]所提出的方案均是對固定的伸縮式衣架進行改造。但是，落地式晾衣架仍廣泛存在于學生宿舍等不具備在窗外等地方懸掛伸縮晾衣架的場景中。落地式衣架在放置以后，若是需要移動位置則比較麻煩。尤其遇到當掛滿衣服又碰上雨天需要收回的情況時極不方便。

本文開創(chuàng)性地提出了一種對落地式衣架的智能化改造，通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)遠程操控和交互，用戶可以采用手動遙控或者衣架在自動模式下工作兩種方式，使衣架處于合適的位置。

1　系統(tǒng)整體設計方案

本設計包括硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)測試三部分。整個系統(tǒng)可分為三個模塊，即終端、中樞控制端、執(zhí)行端。其中硬件設計主要集中于執(zhí)行端，包括主控核心電路、直流電機驅動電路、超聲波測距電路、藍牙通信電路。軟件設計則主要集中于終端和中樞控制端。終端負責實現(xiàn)和用戶的交互，中樞控制端完成指令的接收、處理和下達，執(zhí)行端負責具體實現(xiàn)用戶的指令。系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。

基本工作流程如下：用戶在自己的終端設備（手機、平板電腦等）通過交互界面查看中樞控制端傳回的環(huán)境數(shù)據(jù)，并設定衣架的工作模式（自動、手動），若用戶選擇手動模式，則繼續(xù)設定推出模式或收回模式。中樞控制端接收到用戶的指令后，進行邏輯判斷，最終輸出推出或者收回指令至執(zhí)行端的藍牙模塊。執(zhí)行端收到指令后，完成相應的動作。

圖1　整體系統(tǒng)架構

2 硬件設計

硬件設計共分為如下模塊：主控核心模塊、直流電機驅動模塊、超聲波避障模塊、藍牙模塊。本設計中的硬件部分主要存在于執(zhí)行端，執(zhí)行端硬件設計整體流程圖如圖2所示。

圖2　硬件設計架構

工作流程如下：執(zhí)行端的主控核心模塊接收藍牙模塊傳來的指令數(shù)據(jù)后，操控直流電機驅動模塊驅動電機完成相應的操作。同時，衣架移動過程中，主控核心模塊控制超聲波避障模塊工作，計算與障礙物的距離，控制直流電機在合適的距離停止，防止碰撞。

2.1　主控核心模塊

主控核心模塊為一塊Arduino Uno R3單片機。該單片機其搭載一塊ATMEGA328P-AU微處理控制器，其工作頻率可以達到20 MHz，具有2 KB RAM。同時，該單片機有14個數(shù)字I/O口和6個模擬I/O口，且其工作電壓為5 V～9 V。所以該單片機作為主控核心模塊可以滿足本設計中執(zhí)行端需要的功能，同時具有元器件簡單、成本低的優(yōu)勢。

2.2　直流電機驅動模塊

直流電機驅動模塊接收主控核心模塊發(fā)出的控制信號，控制直流電機運轉完成對衣架的驅動。該電路如圖3所示，本設計中共需4個直流電機驅動模塊，圖3展示了其中一個。本設計中采用L298N直流電機驅動模塊，該模塊可同時驅動兩路直流電機。其基本原理為：L298N接收主控核心模塊產生的四路電平信號，L298N根據(jù)輸入的信號產生對應輸出，控制兩路電機完成正轉、反轉、靜止、剎車。

特別指出的是，本設計中所有的直流電機在同一時刻必定是具有同樣的狀態(tài)，故為了簡化電路和節(jié)約主控核心模塊的數(shù)字I/O口資源，每個L298N模塊如圖3所示，四個輸入信號只由兩個數(shù)字I/O口給出。

圖3　直流電機驅動模塊電路圖

2.3　超聲波模塊

超聲波模塊僅在衣架移動時工作，其目的在于測量與移動方向障礙物之間的距離，避免碰撞。

本設計中使用HC-SR04超聲波發(fā)射、接收模塊，該模塊探測距離范圍為0.02 m～4.5 m，精度可達0.3 cm，并可在5 V電壓下工作，該模塊連接電路圖如圖4所示。其基本原理是：主控核心模塊的數(shù)字I/O口輸出一個持續(xù)10 μs的高電平給Trig端作為啟動信號。模塊檢測到該啟動信號之后，自動發(fā)送8組頻率為40 kHz的超聲波脈沖信號。同時，模塊會自動檢測是否有超聲回波。若模塊檢測到有回波，便在Echo端輸出一個高電平信號。該高電平信號持續(xù)的時間代表模塊發(fā)出超聲脈沖到接收到超聲回波所經(jīng)歷的時間。

圖4　超聲波模塊電路圖

主控核心模塊測量Echo端輸出的高電平持續(xù)時間并結合聲速便可根據(jù)式1測算出與障礙物的距離。式1中v代表聲速，t代表Echo端高電平持續(xù)的時間，s代表與障礙物的距離。聲速v，在25℃、標準大氣壓下可取為340 m/s。由于聲速v遠大于衣架的移動速度和該超聲模塊測距的最大有效距離，故測得距離可認為是模塊發(fā)出超聲脈沖時刻的瞬時距離。

s＝0.5vt （1）

2.4　藍牙模塊

藍牙模塊接收中樞控制端下達的指令。本設計中選擇HC-05藍牙模塊，該模塊在由3.6 V～6 V電源供電時，正常工作波特率為9600 bps。該模塊基本原理為：藍牙模塊保持與中樞控制模塊的藍牙連接，接收指令。藍牙模塊的TX口連接主控核心模塊的RX口，RX口連接主控核心模塊的TX口。主控核心模塊不停掃描串口，將藍牙接收到的信息通過串口讀入。藍牙電路如圖5所示。

圖5　藍牙模塊電路

3 軟件設計

落地式智能天氣衣架的軟件設計主要存在于終端和中樞控制端。

軟件設計整體框架如圖6所示。終端的軟件主要完成溫度、濕度信息的顯示，并提供交互按鈕供用戶下達指令，使用戶可以遠程與衣架完成交互。中樞控制端的軟件主要完成與用戶終端的通信，獲取溫濕度信息、天氣信息、光照強度，對信息進行綜合分析，以及將綜合分析的結果作為指令下達給執(zhí)行端。

圖6　軟件設計架構

3.1　終端

終端的軟件采用點燈科技有限責任公司開發(fā)的“Blinker”應用，該應用可運行于Android系統(tǒng)上。用戶進行簡單注冊后，可獲得一個密鑰，通過該密鑰便可使中樞控制端設備與終端設備建立連接。該連接采用MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議是一種發(fā)布—訂閱的消息協(xié)議，其低消耗、帶寬占用的特性使得它能在硬件性能較差的設備以及較糟糕的網(wǎng)絡環(huán)境下運行，被廣泛應用于IOT領域。

該軟件的交互界面如圖7所示。用戶可通過左上角按鈕切換手動操控和自動操控兩種模式。若選擇手動操控模式，用戶可通過右上角按鈕控制衣架的推出和收回。同時，用戶可通過下方面板查看溫度和濕度信息。

圖7　終端用戶交互界面

3.2　中樞控制端

本設計中，中樞控制端的程序運行在Raspberry Pi 4B上。Raspberry Pi 4B 搭載一塊Quad core Cortex-A72(ARM v8)64 bit處理器，具有4 GB RAM，其性能相當于一臺微型電腦。同時，Raspberry Pi4B提供40個GPIO接口，以及數(shù)個5 V直流接口和GND接口，因此可插裝本設計口使用的光敏傳感器以及溫濕度傳感器。

該設備的操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。本設計中中樞控制端程序均以Python為編程語言，運行于Linux系統(tǒng)中。

中樞控制端的軟件整體框架圖如圖8所示。

圖8　中樞控制端軟件架構圖

中樞控制端軟件一共有3個主程序和2個輔助性程序。主程序即邏輯判斷程序；輔助性程序即終端通信程序、執(zhí)行端通信程序、溫濕度獲取程序、天氣獲取程序。

3.2.1終端通信程序

該程序使用點燈科技提供的Python SDK，建立與終端的MQTT連接。

該程序的原理如下：當終端設備的交互按鈕有點擊操作時，該操作會通過MQTT協(xié)議傳輸至中樞控制端。中樞控制端收到該消息后調用該按鈕對應的回調函數(shù)。回調函數(shù)將用戶的操作數(shù)據(jù)輸出至邏輯判斷程序。

同時，終端通信程序每隔一段時間通過MQTT協(xié)議向終端發(fā)送一次“心跳包”，將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端設備，供用戶在終端查閱。

3.2.2邏輯判斷程序

該程序讀入各種信息，并進行分析，輸出為GPIO的電平值。如果輸出高電平，則希望執(zhí)行端執(zhí)行推出操作；若為低電平，則希望執(zhí)行端執(zhí)行收回操作。

邏輯判斷程序流程圖如圖9所示。

該程序會首先讀取由終端通信程序獲取的A/M按鍵狀態(tài)值。如果為自動模式，則讀取天氣信息以及光敏傳感器輸入的電平值。當天氣信息顯示為晴天且光敏傳感器檢測為白天，則輸出高電平。其余情況則輸出低電平。

如果讀取A/M按鍵狀態(tài)值為為手動模式，則繼續(xù)讀取D/R按鍵狀態(tài)值。如果值為D，則輸出高電平。為R，則輸出低電平。

邏輯判斷程序流程圖如圖9所示。

圖9　軟件流程圖

3.2.3執(zhí)行端通信程序

該程序負責保持與執(zhí)行端的藍牙連接，并根據(jù)邏輯判斷程序輸出的電平值下達相應的指令。如果檢測到邏輯判斷程序的輸出為高電平，則通過藍牙發(fā)送字符“D”，反之則發(fā)送字符“R”。執(zhí)行端會根據(jù)收到的字符為“D”或“R”，完成推出或收回操作。

3.2.4溫濕度程序

由于目前網(wǎng)絡可以獲取的天氣數(shù)據(jù)最小單位為縣/區(qū)一級，故為了便于用戶判斷當前衣架所處環(huán)境是否有下雨，故向用戶提供實時的環(huán)境溫濕度信息。

本設計中，溫濕度傳感器的型號為DHT11。該程序每間隔10 s讀取一次傳感器的數(shù)值，并將獲得的溫濕度數(shù)據(jù)保存在中樞控制端，供終端通信程序讀取并發(fā)送給終端。

3.2.5天氣獲取程序

本設計中，天氣數(shù)據(jù)的獲取信息源為“心知天氣”。該程序每隔15分鐘調用一次心知天氣的API接口，獲取最新的天氣信息，并將取得的結果保存在中樞控制端，供邏輯判斷程序讀取。

4　系統(tǒng)測試結果與分析

按照本設計中提及到的硬件設計，將該設計組裝好。最終成品如圖10所示。

圖10　設計成品圖

如圖10所示，整個系統(tǒng)的底盤為一塊“H型”透明“亞克力”板制成，該材料有良好的力學特性，能夠抗拉伸、抗彎折。同時，該材料具有很強的耐候性，在自然環(huán)境中能保持很長時間不老化，并且成本也較為低廉，故本設計選取該材料制作底盤。

同時，使用熱熔膠固定一個“門字型”木制框架與底盤上，用戶可將衣物懸掛于上。

對該設計進行測試，最終結果表明該落地式智能天氣衣架能夠按照設計預期對相應的指令做出正確的反應。

測試條件及結果如表1所示。落地式智能衣架能夠按照天氣變化轉換模式，完成相應的衣架反應。

表1　測試狀態(tài)及結果

5　結束語

本設計提出了一種對傳統(tǒng)落地式衣架進行智能化改造的方案，將物聯(lián)網(wǎng)概念與落地式衣架相結合。其目的是使得因各種條件不適合使用懸掛式衣架的用戶也能夠擁有一款智能落地式衣架，該衣架能夠讓用戶實現(xiàn)真正意義上的遠程環(huán)境信息獲取與操控，適合學生、上班族等群體使用，免去了擔心衣物被雨水打濕的顧慮，提高了生活質量。

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Design and Implentation of a Floor Mounted Intelligent Weather Clothes Hanger

In order to enable users who need to use floor mounted clothes hangers due to environmental constraints to have an intelligent clothes hanger, this paper puts forward a scheme to realize intelligent transformation of traditional floor mounted clothes hangers by using Internet of things thinking. Using raspberry pie, single chip microcomputer, sensor, DC motor and MQTT protocol to realize the user's remote query of information, and using remote control or automatic control to control the movement of clothes hanger to realize the push out and retraction operation. The design has simple operation and good interaction, and has a certain prospect of popularization and application.

floor mounted clothes hanger; raspberry pie; Internet of things; MQTT protocol application

TP29

A

1008-1151(2022)02-0017-05

2021-12-18

李靈翼（1999－），男，廣東深圳人，華南理工大學電子與信息學院學生，研究方向為人工智能。

賴麗娟（1986－），女，廣東汕尾人，華南理工大學電子與信息學院實驗師，研究方向為電工電子實驗教學。