自適應(yīng)智能鞋柜的研發(fā)

李燦霞 尹曉麗 宗可峰 劉克旭 李振健

摘? 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，智能設(shè)備逐漸深入我們的生活，鞋柜作為服務(wù)我們生活的家具也在飛速發(fā)展，現(xiàn)有的智能鞋柜有烘干、殺菌消毒、祛味、清潔等功能，但是智能鞋柜未做到真正的智能化，鞋的烘干時(shí)間需要手工設(shè)定，烘干時(shí)間太長(zhǎng)，損傷鞋的壽命;烘干時(shí)間不足，烘干效果不理想，針對(duì)以上問題，文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及自適應(yīng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別烘干、自動(dòng)傳輸?shù)闹悄苄瘛?/p>

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)智能鞋柜;自動(dòng)識(shí)別;自動(dòng)傳輸;濕度臨界值

中圖分類號(hào)：TP212;TP368.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）17-0157-04

Abstract：With the development of society，intelligence has gradually penetrated into our lives. As the furniture serving our lives，shoe cabinets are also developing rapidly. The existing smart shoe cabinets have the functions of drying，sterilization，deodorization，and cleaning，but the smart shoe cabinet is not truly intelligent. The drying time of the shoes needs to be manually set. The drying time is too long and damages the life of the shoes;the drying time is insufficient and the drying effect is not ideal. In view of the above problems，this article combines IoT technology，embedded system and adaptive control technology design a smart shoe cabinet that can realize automatic identification，drying and automatic transmission.

Keywords：adaptive smart shoe cabinet;automatic identification;automatic transmission;humidity critical value

0? 引? 言

目前，市場(chǎng)上常見的鞋柜都是一體化烘干，人為規(guī)定烘干時(shí)間，人的干涉和對(duì)鞋濕度的主觀判斷，難以掌握濕度和時(shí)間的匹配關(guān)系，使烘干質(zhì)量下降。隨著現(xiàn)代電子智能家具的迅速發(fā)展，追求更加智能化的家具成為社會(huì)主流。智能家居可以提高人們的生活質(zhì)量，當(dāng)下智能家居逐漸深入人們的日常生活中，設(shè)計(jì)更加美觀大方、功能更加齊全，在未來更加智能化的家具會(huì)像液晶電視機(jī)一樣席卷全球市場(chǎng)[1]。本文根據(jù)現(xiàn)有鞋柜的不足設(shè)計(jì)了一個(gè)集自適應(yīng)烘干、自動(dòng)傳輸，并且可遠(yuǎn)程控制的智能鞋柜。鞋柜分為自動(dòng)識(shí)別烘干區(qū)、自動(dòng)傳輸裝置、消毒區(qū);設(shè)置濕度臨界值，烘干區(qū)的識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別鞋的濕度，高于臨界值系統(tǒng)將對(duì)鞋進(jìn)行烘干，低于臨界值后通過自動(dòng)傳輸裝置將其送入消毒區(qū);同時(shí)烘干區(qū)以及儲(chǔ)存區(qū)都安裝有臭氧發(fā)生器保證對(duì)鞋殺菌消毒祛味的處理。本文基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，目的為利用現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)解決智能鞋柜存在的問題，使現(xiàn)代家具更好地服務(wù)于人們的生活。

1? 自適應(yīng)鞋柜的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 自適應(yīng)智能鞋柜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)智能鞋柜的功能有自動(dòng)烘干、自動(dòng)傳送、雙重殺菌消毒、溫濕度檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)顯示等。系統(tǒng)分為四個(gè)部分：烘干系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。烘干系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鞋溫濕度的檢測(cè)、烘干時(shí)間的匹配以及第一次殺菌消毒;傳送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鞋由烘干系統(tǒng)到儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)的傳送;儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鞋的二次殺菌消毒以及鞋的存放;遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)客服用戶從手機(jī)APP上查閱鞋柜內(nèi)的信息。自適應(yīng)智能鞋柜的總體控制如圖1所示。

1.2? 自適應(yīng)智能鞋柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鞋柜分為三大區(qū)域：烘干區(qū)、傳送區(qū)以及儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)，還有一個(gè)遠(yuǎn)程控制端。利用隔板（可以上下移動(dòng)）將烘干區(qū)與儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)分隔開。烘干區(qū)內(nèi)有壓力傳感器、PTC暖風(fēng)機(jī)、溫濕度傳感器以及臭氧發(fā)生器可以對(duì)鞋進(jìn)行自適應(yīng)烘干和第一次殺菌消毒祛味。傳送區(qū)貫穿兩個(gè)區(qū)域由機(jī)械推手以及機(jī)械隔門配合，使鞋可以高效地從烘干區(qū)傳送至儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)。儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)安裝有臭氧化發(fā)生器、圖像識(shí)別以及壓力傳感器對(duì)鞋進(jìn)行二次殺菌消毒祛味并能將鞋有順序的存放。

2? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)智能鞋柜控制硬件部分電路圖，如圖2所示。

2.1? 電機(jī)的設(shè)計(jì)以及選型

按照設(shè)計(jì)要求推手最大行進(jìn)速度為1 000 mm/s。已知所選同步帶輪直徑為35.75 mm，可以得到行進(jìn)底座行進(jìn)時(shí)最大轉(zhuǎn)速n：

最終選定電機(jī)型號(hào)為42BYGH34-401A，電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

2.2? 烘干設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型

烘干設(shè)備最主要的是針對(duì)鞋，在不損傷鞋的前提下展開工作，本團(tuán)隊(duì)對(duì)鞋的耐受情況進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果如表2所示，需根據(jù)該參數(shù)選擇發(fā)熱器。

根據(jù)鞋的耐溫狀況本文選用暖風(fēng)機(jī)由PTC發(fā)熱片和風(fēng)扇組成，其具有節(jié)能、散熱均勻、穩(wěn)定性良好、耐磨性好等特點(diǎn)[2]。

2.3? 溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)及選型

DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，使用專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有可靠性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，此外還有良好的抗干擾能力以及反應(yīng)迅速、價(jià)格便宜、省電等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以根據(jù)顧客的需要改變封裝形式[3]，溫濕度傳感器的電路圖控制圖如圖3所示。

2.4? 殺菌消毒設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型

本文中對(duì)現(xiàn)有鞋柜所用的殺菌消毒裝置進(jìn)行了分析調(diào)查得出以下表格，如表3所示。

經(jīng)過表3對(duì)臭氧發(fā)生器和紫外線燈管的研究與對(duì)比，最終本團(tuán)隊(duì)選擇了殺菌效果好、無二次污染的臭氧發(fā)生器。

2.5? 中央控制器的選型與設(shè)計(jì)

STM32具有節(jié)能省電、對(duì)各種氣味的靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、成本比較低、在簡(jiǎn)單電路中可以使用的優(yōu)點(diǎn)。STM32以模擬量為輸出信號(hào)，通過其中的轉(zhuǎn)換器能將電路轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，方便處理器處理。各類端口使STM32能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)的采樣與轉(zhuǎn)換，除此之外還能夠利用處理器為內(nèi)部系統(tǒng)提供每一刻的時(shí)間、溫濕度信息等[6]。

2.6? 傳送裝置的設(shè)計(jì)

鞋柜體內(nèi)的直線傳輸采用的同步帶輪、同步帶、電機(jī)組成的智能傳輸，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的鞋柜內(nèi)運(yùn)輸空間是870 mm，同時(shí)選用的同步帶輪能夠帶動(dòng)機(jī)械推手在烘干系統(tǒng)和儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)之間運(yùn)動(dòng)。

2.7? 機(jī)械推手的設(shè)計(jì)

設(shè)鞋柜中每雙鞋的質(zhì)量不大于0.5 kg。大小為350×150 mm到420×210 mm不等，高度為60～200 mm。對(duì)機(jī)械推手進(jìn)行受力分析，使其推力遠(yuǎn)大于鞋所受的摩擦力，設(shè)置推手的高度為空間高度，厚度為5 mm。

3? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件系統(tǒng)的總流程設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由打開柜門放入鞋開始，進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)、判斷、烘干、傳送、殺菌消毒等一系列操作，流程如圖4所示。

3.2? 烘干系統(tǒng)

在烘干系統(tǒng)中判斷鞋的濕度與設(shè)定的濕度臨界值的大小關(guān)系，確定鞋是否具備烘干的條件，本文中經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)大部分鞋的試用濕度為42.5%，該濕度臨界值適用于北方家庭，根據(jù)用戶所在地可以對(duì)臨界值做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)不同材質(zhì)的鞋進(jìn)行區(qū)分，天然皮革耐溫60 ℃、布料和超纖耐溫100 ℃。鞋放入烘干區(qū)后不論在什么條件下都要進(jìn)行1 min的殺菌消毒祛味處理，進(jìn)行雙重殺菌消毒，祛味更加徹底。

3.3? 傳送系統(tǒng)

在傳送系統(tǒng)通過編程控制機(jī)械手移動(dòng)鞋到儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)的位置，節(jié)省空間。烘干系統(tǒng)和儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)中間只有一個(gè)隔板減少的材料的使用，同時(shí)機(jī)械推手在工作時(shí)推動(dòng)鞋自動(dòng)補(bǔ)位。開始時(shí)推手會(huì)默認(rèn)鞋自最右向靠近隔門方向排列，當(dāng)其中一雙鞋被拿走且左鄰的鞋后面沒有鞋時(shí)，機(jī)械推手會(huì)工作把該雙鞋推到左側(cè)剛被拿走的鞋的位置。

3.4? 儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)

儲(chǔ)存殺菌消毒系統(tǒng)內(nèi)安裝臭氧發(fā)生器，對(duì)鞋進(jìn)行二次殺菌消毒祛味處理。當(dāng)鞋柜門被打開時(shí)，臭氧發(fā)生器會(huì)急停，避免對(duì)人體造成傷害。該區(qū)域內(nèi)還安裝有圖像識(shí)別裝置，客戶在手機(jī)端就能看到鞋柜內(nèi)鞋的擺放位置。

3.5? 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

系統(tǒng)在未來還計(jì)劃添加遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過APP遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶下載APP并注冊(cè)賬號(hào)，就可在APP上調(diào)整鞋的適度臨界值、烘干溫度的數(shù)值，實(shí)時(shí)接受鞋柜內(nèi)反饋給客戶端的信息，如正在烘干鞋的剩余烘干時(shí)間、儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)鞋的位置等信息。鞋柜這一功能的實(shí)現(xiàn)采用的是STM32芯片，能夠保證ID的唯一性，還能及時(shí)地將鞋柜內(nèi)的信息發(fā)送到手機(jī)上。

4? 樣機(jī)調(diào)試

4.1? 自動(dòng)烘干功能測(cè)試

分別在不同天氣下將不同濕度的鞋放入鞋柜中，溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)溫濕度，鞋內(nèi)水分越多烘干時(shí)間越長(zhǎng)，在不同天氣時(shí)外界濕度會(huì)對(duì)鞋柜內(nèi)鞋的濕度監(jiān)測(cè)有影響，但影響范圍在可控范圍內(nèi)，可以達(dá)到預(yù)期的烘干效果。烘干測(cè)試如圖5所示。

4.2? 自動(dòng)傳輸裝置功能測(cè)試

當(dāng)鞋烘干完成或者不需要烘干的鞋第一次殺菌消毒之后，機(jī)械推手到達(dá)隔門時(shí)剛好隔門上升完畢，能夠使鞋穿過烘干區(qū)到達(dá)儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)。在儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)內(nèi)壓力傳感器會(huì)提供給中央控制器空位信息，對(duì)鞋進(jìn)行有順序的放置。該裝置可以將鞋有序存放，完成了預(yù)期目標(biāo)。

4.3? 儲(chǔ)存殺菌消毒區(qū)功能測(cè)試

當(dāng)推手回到初始位置時(shí)隔門完全關(guān)閉，臭氧發(fā)生器對(duì)鞋進(jìn)行二次殺菌消毒祛味處理。利用圖像識(shí)別裝置能夠及時(shí)地在手機(jī)上刷新鞋柜內(nèi)鞋的放置狀態(tài)。

5? 結(jié)? 論

本文研發(fā)的是自適應(yīng)智能鞋柜系統(tǒng)，系統(tǒng)具有自動(dòng)烘干、自動(dòng)傳輸、雙重殺菌消毒祛味以及遠(yuǎn)程控制等功能，還能夠保護(hù)鞋質(zhì)量不受損，延長(zhǎng)鞋的使用壽命;通過增加APP端接口，未來可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)智能鞋柜與其他智能家居系統(tǒng)的連接。測(cè)試結(jié)果表明，自適應(yīng)智能鞋柜不僅能延長(zhǎng)鞋的壽命，對(duì)鞋的殺菌消毒祛味處理效果也非常的好;機(jī)械推手與控制器配合對(duì)鞋進(jìn)行有順序的放置，操作簡(jiǎn)單;整套流程采用家用電，功耗低，運(yùn)作安全平穩(wěn)。

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作者簡(jiǎn)介：李燦霞（1998.12—），女，漢族，山東泰安人，本科在讀，研究方向：智能制造工程。