貝佳豪　沈茜

摘 要： 追求方便快捷的生活方式已經(jīng)成為當(dāng)代人的目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種基于環(huán)境自感知的智能衣架，實(shí)現(xiàn)對(duì)晾曬衣物的智能控制，將進(jìn)一步方便人們的生活。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，采用Arduino作為主控系統(tǒng)，結(jié)合Arduino豐富的傳感器探測(cè)周?chē)鞖猸h(huán)境，利用ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)Arduino與Android之間的數(shù)據(jù)傳輸。Android客戶(hù)端接入中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心，以JSON格式獲取當(dāng)?shù)匚磥?lái)24小時(shí)內(nèi)的實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)，達(dá)到預(yù)知降雨概率、風(fēng)力指數(shù)等信息，從而達(dá)到定時(shí)自動(dòng)控制衣架的功能。

關(guān)鍵詞：智能衣架；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；無(wú)線控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The pursuit of a convenient and fast life style has become the goal of contemporary people.We design an intelligent clothes hanger based on environmental self-detection to achieve intelligent control of clothing，which will further facilitate people's lives.Taking the Internet of things technology as the core，using Arduino as the main control system，combining with Arduino sensors to detect the surrounding weather conditions，we use ESP8266 WIFI module to achieve data transmission between Arduino and Android.The Android terminal connects with the data center of the China Meteorological Bureau and obtains simultaneously the local weather data in JSON format to achieve the automatic control of the hangers.

Keywords：intelligent hanger；Internet of things；sensor；wireless control

1 引言（Introduction）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的迅速發(fā)展，人們對(duì)于生活水平的要求也隨之越來(lái)越高，方便快捷和簡(jiǎn)單易行的生活方式已經(jīng)成為當(dāng)代人的追求。如今市面上的傳統(tǒng)衣架面對(duì)突發(fā)性氣象變化并不具備實(shí)時(shí)快捷和簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，當(dāng)天氣不利于衣服的晾曬時(shí)，如果人們不能及時(shí)從晾衣架收回衣物，晾曬效果就會(huì)受到影響，甚至衣物會(huì)受到損害。而智能衣架則可以解決在不同環(huán)境下衣物的晾曬問(wèn)題。智能衣架通過(guò)Arduino主控板與其附帶的多種傳感器及時(shí)了解周邊環(huán)境，來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的天氣環(huán)境[1]。再通過(guò)wifi等方式將數(shù)據(jù)推送至Android等移動(dòng)設(shè)備上，使用戶(hù)能及時(shí)了解到衣物的情況。

2 智能衣架的設(shè)計(jì)（Design of the intelligent hanger）

2.1 總體設(shè)計(jì)

智能衣架總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩大方面。通過(guò)Arduino單片機(jī)和傳感器模塊使傳統(tǒng)衣架變得智能化，衣架重點(diǎn)放在軟件設(shè)計(jì)上。通過(guò)Arduino單片機(jī)，使其擁有如本地控制、遙控控制、手機(jī)遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、定時(shí)控制等功能。軟件部分有Android客戶(hù)端和Arduino控制程序。通過(guò)Android客戶(hù)端連接中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，來(lái)獲取衣架所在地的天氣信息，使得智能衣架具有天氣預(yù)測(cè)功能，提前對(duì)其做出預(yù)設(shè)操作，能更好地去應(yīng)對(duì)各種天氣環(huán)境[1]。智能衣架總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)與選型

衣架硬件部分分為主控板、傳感器模塊、WIFI無(wú)線模塊、電機(jī)模塊、電源等五個(gè)模塊。電源連接主控板為其供電，其余模塊與主控板連接并通過(guò)主控板獲得供電。主控板通過(guò)傳感器獲取外部數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至服務(wù)器并獲取指令，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)衣架的伸縮[2]。智能衣架硬件框架如圖2所示。

（1）主控板

采用Arduino MEGA2560型號(hào)主控板當(dāng)作衣架的主控板，使用Arduino官方提供的IDE進(jìn)行開(kāi)發(fā)。智能衣架主控板主要負(fù)責(zé)接收并處理傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)板內(nèi)預(yù)先編寫(xiě)的程序邏輯進(jìn)行判斷，并最終輸出是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊運(yùn)行的動(dòng)作命令。

（2）WIFI模塊

WIFI模塊是智能衣架與外界進(jìn)行信息傳遞的模塊。如今每個(gè)家庭基本都配備有WIFI，衣架通過(guò)WIFI模塊，接入網(wǎng)絡(luò)，與外界進(jìn)行信息交互。

（3）電機(jī)

由于衣架需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮移動(dòng)、衣桿升降、風(fēng)扇烘干，所以需要多種電機(jī)進(jìn)行工作。由于伸縮移動(dòng)需要較高精度，所以采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制衣架伸縮。衣桿升降及風(fēng)扇無(wú)特殊精度要求，則采用直流電機(jī)。

（4）傳感器

衣架使用溫濕度傳感器獲取室外的溫度和濕度數(shù)據(jù)，光敏傳感器負(fù)責(zé)獲取環(huán)境光的亮度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光敏傳感器獲取的亮度低于200時(shí)，室外基本為陰天或夜晚；室外濕度高于50時(shí)，則為潮濕天氣。主控板將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)判斷室外的天氣情況，在晴天時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)晾衣桿將衣架伸出室外，陰雨天氣則回收晾衣桿并啟動(dòng)風(fēng)扇對(duì)衣物進(jìn)行烘干。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

由于室外天氣環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)候衣架無(wú)法迅速做出反應(yīng)，所以智能衣架的工作還會(huì)接收來(lái)自客戶(hù)端的天氣預(yù)報(bào)，結(jié)合其數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。智能衣架的軟件設(shè)計(jì)分布在衣架的主控板、WIFI模塊和衣架配對(duì)的APP三端上。三端配合使智能衣架具有了本地控制、遙控控制、手機(jī)遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、定時(shí)控制等功能。各路傳感器是衣架的感官器官，程序則是大腦，通過(guò)程序才能使衣架真正智能化起來(lái)。endprint

（1）Android客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

軟件采用圖形化操作界面，既簡(jiǎn)潔美觀，又便于操作，有利于減少用戶(hù)的學(xué)習(xí)成本，界面如圖3所示?？蛻?hù)端接入中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，以JSON格式獲取智能衣架所在地天氣數(shù)據(jù)，并將指令通過(guò)socket通訊以字符串形式回傳給智能衣架，使衣架做出判定。考慮到有時(shí)我們需要手動(dòng)操作智能衣架，我們將為衣架設(shè)計(jì)自動(dòng)模式及手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，衣架就會(huì)依據(jù)數(shù)據(jù)自行運(yùn)行。在我們需要收衣物等情況下，我們可以切換至手動(dòng)模式，自由控制衣架伸縮及晾曬，方便收取衣物。

（2）WIFI模塊設(shè)計(jì)

WIFI模塊與主控板通過(guò)TCP/IP串口連接在一起。主控板的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至ESP8266 WIFI模塊上，ESP8266則將通過(guò)socket通訊將串口數(shù)據(jù)以字符串形式發(fā)送至客戶(hù)端，同時(shí)等待客戶(hù)端的數(shù)據(jù)返回，最終再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)還至主控板。

（3）主控板設(shè)計(jì)

為使主控板能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的天氣環(huán)境并迅速對(duì)突發(fā)天氣做出判斷，需要對(duì)衣架定制一套完整的判斷條件。主控板通過(guò)Arduino的傳感器獲取到室外的天氣環(huán)境，與所制定的命令進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而決定是否進(jìn)行衣服的晾曬。如在下雨天，空氣濕度會(huì)高于晴天，這時(shí)溫濕度傳感器捕捉到室外濕度過(guò)高，則會(huì)執(zhí)行回收衣架的動(dòng)作并打開(kāi)風(fēng)扇對(duì)衣物進(jìn)行烘干。如出現(xiàn)復(fù)雜天氣，如既下雨又是霧霾的天氣，衣架則會(huì)合并兩步操作，將衣架收回并同時(shí)開(kāi)啟烘干功能和紫外線殺菌功能。衣架動(dòng)作判定條件如圖4所示。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)（Realization of system functions）

3.1 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

智能衣架的硬件結(jié)構(gòu)是在普通拉桿式晾衣架兩支撐桿改成導(dǎo)軌并裝上滑塊，再穿入同步帶。同步帶與下方的晾衣桿固定連接。鋼絲繩的另一端連接到與步進(jìn)電機(jī)相連的轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)達(dá)到晾衣架的伸縮效果[3]。智能衣架配備有太陽(yáng)能采集板，轉(zhuǎn)化陽(yáng)光為太陽(yáng)能后，為各個(gè)智能化子系統(tǒng)提供動(dòng)力，不需要外部電源。當(dāng)陰天或者霧霾天時(shí)，紫外燈管和風(fēng)扇開(kāi)啟，提供殺菌和晾干功能，保證產(chǎn)品正常工作。

智能衣架系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)依照國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保系統(tǒng)的擴(kuò)充性和擴(kuò)展性。在系統(tǒng)傳輸上采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，保證不同產(chǎn)商之間系統(tǒng)可以兼容與互聯(lián)。系統(tǒng)的前端設(shè)備是多功能的、開(kāi)放的、可以擴(kuò)展的設(shè)備，系統(tǒng)主機(jī)、終端與模塊之間的通訊采用標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，為外部系統(tǒng)廠商提供集成化平臺(tái)。系統(tǒng)功能可以無(wú)縫擴(kuò)展，當(dāng)需要增加功能時(shí)，不必再開(kāi)挖管網(wǎng)，簡(jiǎn)單可靠、方便節(jié)約。設(shè)計(jì)全部選用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品或模塊，未來(lái)新的第三方受控設(shè)備接入時(shí)，只需要遵守規(guī)定的接口和協(xié)議。

3.2 主控板功能實(shí)現(xiàn)

主控板主要通過(guò)獲取來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，起到感知周?chē)h(huán)境的效果，通過(guò)Mack block官方給的MeAuriga庫(kù)來(lái)驅(qū)動(dòng)硬件。在MeStepper類(lèi)中封裝有run（）、move（）、moveTO（）等方法，通過(guò)這些方法達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。通過(guò)run（）方法啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，move（）讓電機(jī)按一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要限定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離時(shí)，則可以調(diào)用moveTo（）方法，進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動(dòng)。如在陰雨天氣需要讓衣架回收至屋內(nèi)時(shí)，通過(guò)stepper.run（）；stepper.moveTo（0）；驅(qū)動(dòng)電機(jī)并讓電機(jī)回至原點(diǎn)就能達(dá)到回收衣架的效果。在晴天時(shí)則調(diào)用stepper.run（）；stepper.move（200）；讓步進(jìn)電機(jī)按一定速度向外伸出。MeHumiture中g(shù)etHumidity（）用來(lái)獲取環(huán)境濕度[4]，通過(guò)感知濕度來(lái)判斷是否需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。如當(dāng)空氣濕度過(guò)高時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收衣架[5]。關(guān)鍵代碼如下：

3.3 WIFI功能實(shí)現(xiàn)

WIFI模塊負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，為主控板和客戶(hù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WIFI模塊在上電工作后，會(huì)持續(xù)通過(guò)Serial.available（）確認(rèn)是否有來(lái)自主控版的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，再通過(guò)clients.write（data，len）將獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)socket發(fā)送至客戶(hù)端，同時(shí)通過(guò)server.available（）監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端回傳的數(shù)據(jù)，最終通過(guò)Serial.write（clients.read（））將數(shù)據(jù)通過(guò)串口返回至主控板[6]。WIFI通訊關(guān)鍵代碼如下：

3.4 Android客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)

Android客戶(hù)端主要通過(guò)連接中國(guó)氣象局獲取天氣數(shù)據(jù)，達(dá)到預(yù)測(cè)天氣。結(jié)合氣象局的數(shù)據(jù)及通過(guò)WIFI模塊獲取到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，將指令通過(guò)socket通訊回傳至WIFI模塊[7]，關(guān)鍵代碼如下：

4 結(jié)論（Conclusion）

使用Arduino等小型嵌入式控制芯片作為衣架設(shè)備的中央控制器，結(jié)合光電、溫濕度等傳感器感知周邊環(huán)境，將傳感器采集到的信息輸入嵌入式控制芯片后進(jìn)行分析，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化晾曬，使用Android等移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制和管理衣架，達(dá)到了實(shí)時(shí)掌握衣架及其衣物當(dāng)前狀況的目的。該智能衣架系統(tǒng)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等無(wú)線通訊技術(shù)，使用嵌入式開(kāi)發(fā)及移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)方案安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 陸興華，吳恩燊，黃冠華.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：14-16

[2] 焦建兵.智能遙控晾衣架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新通信，2016，18

（12）：160.

[3] 林舜杰.晾衣架智能控制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（13）：149.

[4] 程晨.Arduino開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：

34-35.

[5] 小五義.利用ProtoThreads實(shí)現(xiàn)Arduino多線程處理[EB/OL].http：//www.cnblogs.com/xiaowuyi/p/4355161.html，2017-08-16.

[6] 孫瀟楠.C#實(shí)現(xiàn)串口監(jiān)聽(tīng)[EB/OL].http：//www.cnblogs.com/

sunxiaonan/archive/2010/10/23/1609449.html，2017-08-15.

[7] 郭霖.第一行代碼Android[M].北京：人民郵電出版社，2014.

作者簡(jiǎn)介：

貝佳豪（1996-），男，大專(zhuān)生.研究領(lǐng)域：軟件技術(shù)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

沈 茜（1976-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：人工智能，計(jì)算機(jī)視覺(jué).endprint