李成鳳，況春華，張陽偉，唐 珊

隨著智能家具概念的提出，家居電器智能化、人性化、便捷化已成為國內(nèi)外家具行業(yè)興起的新指標，智能鞋柜作為智能家具大家族的一員，其設(shè)計與研發(fā)已逐漸成為市場所趨.然而，盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些具備殺菌除臭、防霉祛濕等基本功能的智能鞋柜［1］，但現(xiàn)有的智能鞋柜產(chǎn)品仍存在一些需要解決的問題：①鞋柜功能單一.目前的多功能鞋柜一般只能對鞋進行殺菌、除臭及烘干等操作［2-8］，其功能仍相對單一，不能滿足實際需求.②無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控.智能鞋柜系統(tǒng)獨立運行，與PC 或手機客戶端無數(shù)據(jù)交互，無法遠程控制和查看鞋柜狀態(tài)信息，無法實現(xiàn)遠程控制［9-11］.③操作過程繁瑣.多功能鞋柜與一般的儲存用鞋柜分離，對鞋進行處理時，須先將鞋從儲存柜中取出，然后放入多功能鞋柜，待鞋處理完畢后再將鞋放入儲存柜，其過程繁瑣，增加了鞋的存放和保養(yǎng)的難度.④查找困難、存取不便［12-13］.為增大鞋柜容量、提高空間利用率，通常會將鞋柜做得很高，以實現(xiàn)將更多的鞋子存放在同一個鞋柜內(nèi)，但要在存儲鞋子數(shù)量較多的鞋柜中查找所需的鞋子卻比較困難，而且過高的鞋柜也不方便存取鞋子.

本文結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機械設(shè)計制造和智能家居模式設(shè)計出一種容量大，結(jié)構(gòu)合理，并且具有自動輸送鞋子功能以及鞋子養(yǎng)護功能的新型鞋柜.

1 鞋柜總體設(shè)計

設(shè)計提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能升降鞋柜的解決方案，依托手機端的APP 遠程操作，控制鞋柜內(nèi)鞋架自動升降，實現(xiàn)指定選取.智能鞋柜升降系統(tǒng)的設(shè)計由鞋柜終端和遠程控制端兩部分組成，其中，鞋柜終端以STM32 核心處理器為控制器，通過傳感器的信息采集、處理器的處理、驅(qū)動電路的驅(qū)動，以及垂直機械結(jié)構(gòu)的傳動，達到鞋盒自動的垂直循環(huán)移動、出鞋、殺菌除臭、烘干、報警及語音提示等功能；受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)啟發(fā)，遠程控制端主要運用智能手機安卓APP 技術(shù)進行設(shè)計，并使用藍牙技術(shù)與終端連接進行數(shù)據(jù)交互.APP 與立體垂直循環(huán)機械結(jié)構(gòu)的組合改變了人們傳統(tǒng)的儲物理念，解決了傳統(tǒng)儲存方式存在的空間浪費問題，同時也避免了存取過程的繁瑣操作，其設(shè)計框圖如圖1 所示.

圖1 模塊設(shè)計框圖

2 鞋柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，針對鞋柜空間資源浪費嚴重、鞋子擺放雜亂的問題，采用德國立體車庫的設(shè)計思想［14-16］進行鞋柜的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)立體垂直循環(huán)存儲，從而提高鞋柜內(nèi)空間利用率，方便用戶存取.鞋柜終端整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示.從圖2 中可以看出，在牽引件鏈條上，每隔一段距離安裝一個鞋盒，通過步進電機傳動機構(gòu)，鞋盒可以隨鏈條一起做垂直循環(huán)運動，并經(jīng)最短路徑運動到出鞋口自動出鞋.其次，針對鞋柜存在的易發(fā)霉、滋生細菌等健康隱患問題，在鞋柜的中部及四角安裝溫濕度、氣體傳感器檢測模塊，在鞋柜的頂部安裝殺菌除臭、祛濕防霉模塊，各個模塊在安裝于鞋柜底部的處理器的控制下，能夠有效響應用戶指令，并對鞋柜整體環(huán)境進行調(diào)控.

圖2 終端整體結(jié)構(gòu)

3 鞋柜終端軟硬件設(shè)計

3.1 鞋柜終端硬件設(shè)計

受室內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響，鞋柜環(huán)境是動態(tài)變化的，鞋柜終端需要使用各傳感器模塊對環(huán)境的溫濕度、污染氣體濃度進行采集，利用各執(zhí)行模塊實現(xiàn)殺菌除臭、防潮除濕及顯示功能，并用通信模塊實現(xiàn)鞋柜終端與APP 客戶端的通信.整體的硬件電路圖如圖3 所示.

圖3 整體硬件電路

①溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊.系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊實現(xiàn)鞋柜內(nèi)溫度的采集，監(jiān)控鞋柜內(nèi)環(huán)境溫度為15～25 ℃、濕度低于60%，能夠有效抑制霉菌生長，且在天涼時人們穿鞋也更舒服.②殺菌除臭模塊.鞋柜定時開啟紫外線臭氧燈，穿透鞋中細菌的細胞膜，破環(huán)其DNA 等遺傳物質(zhì)，使其不能生長繁殖，進而達到殺菌的效果.③防潮除濕模塊.鞋柜中安裝的電熱絲和風扇與處理器、溫濕度傳感器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將鞋柜的整體環(huán)境的溫濕度穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi).④終端顯示模塊.鞋柜終端采用OLED 屏顯示鞋柜環(huán)境數(shù)據(jù)信息及儲存情況，通過IIC 總線與主控制器進行數(shù)據(jù)傳送，便于使用者了解鞋柜內(nèi)狀態(tài).⑤通信模塊.由于整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大且對數(shù)據(jù)保真要求高，通信模塊選用傳送數(shù)據(jù)快且丟包率低的HC-05 藍牙模塊，實現(xiàn)鞋柜終端與用戶端的數(shù)據(jù)交互.

3.2 鞋柜終端軟件設(shè)計

鞋柜終端的主流程設(shè)計如圖4 所示.鞋柜終端上電后，系統(tǒng)進行初始化，中心處理器處于命令等候狀態(tài)，用戶指令優(yōu)先處理，判斷手機APP 是否有命令請求，若有則進行命令響應，例如若接到用戶端通過APP 發(fā)來選取鞋子的命令，系統(tǒng)則立即停止保持環(huán)境狀態(tài)穩(wěn)定功能，并立即解析出所選定鞋的確定位置，通過內(nèi)部數(shù)學運算得出升降的最短距離，并依據(jù)步進電機的步距角，利用處理器發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機轉(zhuǎn)動的距離，結(jié)合齒輪鏈式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鞋盒分區(qū)的精確循環(huán)移動，從而將指定鞋盒移動到出口處.若沒有命令請求，則檢測鞋柜內(nèi)是否有鞋，若否，則返回等待命令，若是，則檢測相關(guān)指標是否正常，若正常則關(guān)閉相應功能模塊，OLED 屏顯示相應信息，否則將運行相應功能模塊后繼續(xù)檢測相關(guān)指標是否正常.因室內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定，鞋柜終端需實時檢測鞋柜內(nèi)的溫濕度和空氣質(zhì)量等指標，連續(xù)檢測得到20 組數(shù)據(jù)，每次檢測間隔3 s.處理器將20 組數(shù)據(jù)的平均值與用戶設(shè)定值進行對比，并做出相應的調(diào)節(jié)指令，使鞋柜環(huán)境保持在相對穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 主流程圖

按照上述設(shè)計思想完成了帶有6 個鞋盒的立體升降鞋柜，實物內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示.

圖5 鞋柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 用戶端手機APP 設(shè)計及測試

用戶通過藍牙模塊實現(xiàn)手機APP 與鞋柜終端的連接后，鞋柜終端中鞋子的相關(guān)信息將自動更新到APP 數(shù)據(jù)庫中.為了方便用戶的使用，用戶打開APP 登錄后，在APP 的主功能界面顯示來自服務(wù)器的鞋柜分區(qū)狀態(tài)信息.用戶存鞋時，鞋柜終端通過藍牙模塊接收用戶端的存鞋命令請求，利用主控板內(nèi)置算法驅(qū)動電機，選擇最短路徑自動將空鞋盒運送到放鞋口，待鞋子放入后將鞋盒空滿狀態(tài)存入flash 數(shù)據(jù)庫中，同時用戶將相冊中相應鞋的照片上傳至APP.取鞋時，用戶通過APP的圖片瀏覽界面瀏覽所存鞋的信息進行選鞋，系統(tǒng)選擇最短的路徑自動將對應鞋盒運送到出鞋口，并更新數(shù)據(jù)庫.

按照上述設(shè)計思想，所設(shè)計的手機APP主界面如圖6 所示，選擇家用存取即可進入鞋柜管理員登錄界面，如圖7 所示.

登錄成功進入鞋柜信息顯示界面如圖8所示，顯示了鞋盒總數(shù)6、空盒數(shù)及滿盒數(shù).圖9 為通過圖片瀏覽進行存取鞋的界面，當前顯示第一個鞋盒中的鞋照片，若要存取鞋單擊打開按鈕，從照片右下角看出該鞋已被成功取出，若要上傳相應鞋的照片則單擊編輯按鈕，即進入圖10 所示的照片上傳界面.

圖6 手機APP 主界面

圖7 管理員登錄界面

圖8 手機APP 鞋柜信息顯示界面

圖9 手機APP 存取鞋界面

圖10 上傳照片界面

另外，采用單一變量原則分別對智能可升降鞋柜的除濕、除臭功能、存取鞋時間進行測試：鞋柜在上電4～8 min 內(nèi)環(huán)境溫濕度及臭味氣體濃度穩(wěn)定在合適范圍內(nèi)；與傳統(tǒng)鞋柜存取鞋相比，利用APP 和鞋柜終端完成存取鞋所用時間明顯減少，存取鞋更為方便.

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種通過手機APP 控制的自動升降智能鞋柜，實現(xiàn)了遠程選鞋、自動出鞋、快捷存鞋、殺菌除臭、除濕防霉、自動報警和語音提示等功能，有效解決了傳統(tǒng)鞋柜取鞋不方便、存儲容量小的問題，并且改善了鞋柜內(nèi)的存儲環(huán)境.