趙貴海 武 波 蔡 恒 秦鳳超 王東圣

（天津仁愛學院信息與智能工程學院，天津 301636）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生活舒適度的要求也越來越高，智能家居已成為時代發(fā)展的主題。目前，國內(nèi)市場上的大部分智能鞋柜都要用戶通過手動來設(shè)定工作模式，如除臭與烘干等。這種工作模式的效果較為一般，很難達到預期目標，且每次都要用戶手動來設(shè)定工作模式，無法體現(xiàn)其智能特點。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，家具朝著智能化方向發(fā)展，并且各大智能家居企業(yè)相繼推出其智能家居產(chǎn)品［1］。本研究基于PLC 可編程控制器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、小愛同學語音助手、米家APP，對傳統(tǒng)智能鞋柜進行結(jié)構(gòu)改造及功能優(yōu)化。

1 智能鞋柜系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本研究設(shè)計的智能鞋柜系統(tǒng)由鞋柜殼體、傳動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成。

1.1 功能模塊

本研究設(shè)計的智能鞋柜系統(tǒng)是以三菱Q 系列可編程控制器（PLC）為控制核心，可對鞋柜殼體內(nèi)的溫濕度和氣體質(zhì)量進行實時監(jiān)測，及對鞋柜殼體進行殺菌、除臭、烘干、外表清潔等，并可用手機進行遠程控制。其總體框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了充分利用空間，可將鞋柜設(shè)計成圓柱體，并采用透明的亞克力板。鞋柜分為上下兩層，每層可獨立旋轉(zhuǎn)，盒底下設(shè)有推出層，兩層內(nèi)的機械層在外殼對應的位置上均有獨立的開口，可保證兩層儲鞋格互不干擾。每層鞋盒均分成4 個直角扇形區(qū)，最多可放置4 雙鞋，如圖2 所示。每層的4個鞋盒共用一套推出裝置，其由絲桿步進電機和電磁鐵構(gòu)成，電磁鐵可選用長時間通電的長行程電磁鐵。電磁鐵連接在絲桿電機的法蘭螺母上。此套推出裝置位于鞋盒下方，且在每個鞋盒下方有一個缺口，以便電磁鐵上升頂入該缺口，從而帶動鞋盒整體向外伸出。當需要推出上方鞋盒時，PLC 控制電磁鐵的吸合，將電磁鐵的金屬桿向上推出，推入上方鞋盒的缺口中，再由絲桿電機旋轉(zhuǎn)帶動電磁鐵前進，從而將鞋盒推出。鞋盒的收回步驟與推出步驟相同。同時，在每個扇形區(qū)域內(nèi)都設(shè)有烘干和紫外殺菌模塊。當鞋盒關(guān)閉時，臭氧發(fā)生器開始工作，對鞋柜內(nèi)的鞋子進行除臭。當用戶所選擇的某一鞋盒旋轉(zhuǎn)到推出機構(gòu)上方時，推出機構(gòu)開始工作，將鞋盒推出，收納過程與之相反。

圖2 系統(tǒng)整體外觀結(jié)構(gòu)及扇形區(qū)域剖面圖

1.3 云端控制

云服務器用來實現(xiàn)鞋柜控制端與手機客戶端的數(shù)據(jù)交換，手機客戶端通過手機端APP可對鞋柜內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，并在其超過設(shè)定閾值時發(fā)出警報，同時可遠程操控鞋柜的運行［2］。鞋柜控制端通過接收客戶端發(fā)來的請求，來解析控制命令，響應并執(zhí)行控制要求。系統(tǒng)云平臺控制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)云平臺控制圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控核心

本研究用三菱公司生產(chǎn)的Q 系列PLC 來控制鞋柜系統(tǒng)。其采用的是模塊化結(jié)構(gòu)形式，系列產(chǎn)品的組成與規(guī)模靈活可變，最大輸入輸出點數(shù)為4 096 點，最大程序存儲器容量可達252 K 步，在采用擴展存儲器后可達32 M，基本指令的處理速度可達34 ns。

2.2 前端信息采集模塊

前端采集的數(shù)據(jù)主要是鞋柜內(nèi)部溫濕度及空氣質(zhì)量信息。選用溫濕度傳感器DHT11 對溫濕度進行采集，其具有測量精度高、硬件電路簡單的優(yōu)點，可滿足不同用戶所處的不同地理環(huán)境的需求，實時監(jiān)測鞋柜內(nèi)的溫度及濕度，并將數(shù)據(jù)上傳到手機APP中。

在收納鞋子時，鞋子內(nèi)部的異味氣體較多，本研究采用MQ135 氣體傳感器作為異味氣體檢測模塊。MQ135 氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸氣的靈敏度高，適合多種應用場景［3］。

2.3 除臭殺菌模塊

臭氧具有極強的氧化性和殺菌性能，是自然界中最強的氧化劑之一，可利用臭氧的強氧化性對鞋子進行除臭［4］。本研究利用高頻短波紫外線對鞋內(nèi)真菌進行照射，從而使真菌死亡，起到殺菌作用［5］。在鞋柜內(nèi)部的頂層和底層均安裝有臭氧紫外消毒燈，該紫外臭氧消毒燈可由PLC進行控制。

2.4 ESP8266 WiFi模塊

本研究采用ESP8266 來讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果在手機APP 上顯示，同時輸出的正負電平成為三菱Q 系列PLC 的QX40 模塊的輸入，從而實現(xiàn)對鞋柜的遠程控制。同時，通過PLC 編程可實現(xiàn)對烘干、消毒、除臭等模塊的控制。另外，ESP8266 模塊具有開源性，可接入米家、天貓精靈等智能家庭平臺，讓用戶通過語言來控制智能鞋柜［6］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

本研究設(shè)計的系統(tǒng)在通電后開始初始化，傳感器完成自檢功能后進入自動控制，流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序控制流程圖

3.2 傳感器檢測與智能控制程序設(shè)計

系統(tǒng)接入電源后，開始自檢、初始化、對傳感器進行自我校正及連接WiFi 網(wǎng)絡，隨后接入米家APP。傳感器完成自檢后，啟動控制程序循環(huán)，實時采集鞋體的溫濕度和空氣質(zhì)量信息［7］。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，做出相應判斷，并相應啟動殺菌除臭和祛濕防霉模塊。傳感器檢測程序流程圖見圖5。

圖5 傳感器檢測程序流程圖

3.3 手機APP通信程序設(shè)計

手機APP 通過服務器與ESP8266 的WiFi 模塊相連，WiFi 模塊自帶的MCU 可讀取服務器的IP 和Port，同時MCU 對服務器的IP 和Port 進行回復，然后由服務器將信息反饋到手機，從而建立起通信控制。手機APP 與系統(tǒng)之間的通信采用AP+STA 的組網(wǎng)模式，先由手機與ESP8266串口模塊進行WiFi配置。此時，MCU會將模塊設(shè)置為AP模式，手機連接上該WiFi后，獲取連接的WiFi信息，通過APP用廣播UDP 包發(fā)出數(shù)據(jù)，MCU 在收到數(shù)據(jù)后將ESP8266串口模塊設(shè)置為STA 模式，解析WiFi配置信息，連接無線路由器，并保存配置信息［8］。流程圖見圖6。

圖6 手機APP通信程序流程圖

4 試驗測試與分析

不同種類的鞋子對溫濕度的要求有所不同。如運動鞋適宜存放的溫度為15～35 ℃，而皮鞋適宜存放的溫度為18～20 ℃，濕度要求一般控制在55%RH。本研究設(shè)定溫度上限為20 ℃、濕度上限為55% RH、污染氣體濃度上限為40%，若超過設(shè)定值將啟動報警裝置，同時啟動通風祛濕及殺菌除臭功能模塊。工作一天后，將鞋子放入鞋柜中進行處理。圖7 為祛濕功能的測試結(jié)果，圖8 為除臭功能的測試結(jié)果。通過測試可以看出，將鞋子放入鞋柜后，開啟祛濕功能約30 min，溫濕度達到正常范圍，開啟除臭模塊約5 min，污染氣體濃度達到正常范圍。

圖7 祛濕功能測試

圖8 除臭功能測試

5 結(jié)語

本研究設(shè)計了一種基于PLC 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能鞋柜系統(tǒng)，首次對PLC 與單片機進行結(jié)合，并應用于鞋柜系統(tǒng)，利用工業(yè)級可編程控制器的優(yōu)勢，使得智能鞋柜系統(tǒng)更加穩(wěn)定。與傳統(tǒng)鞋柜相比，其在實現(xiàn)殺菌除臭、祛濕防霉的功能外，還可通過ESP8266 模塊接入天貓精靈和小愛同學，利用小米或阿里巴巴現(xiàn)有的智能家居體系，可快速適配用戶家庭中已有的智能家居，只需要使用手機，或通過語音助手，即可完成對鞋子的處理，提升了人們的生活質(zhì)量，增加了用戶的使用幸福感。