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摘要：为解决传统衣橱收纳空间规划不合理导致空间浪费、高处放取衣物困难且具有安全隐患等问题，对传统衣橱进行智能化改造。改造后的衣橱系统由识别存储系统、自动挂取衣物系统、智能收纳系统、信息管理系统和智能除潮防湿系统组成。控制系统以S7-200西门子PLC控制器为核心，控制面板使用MT8071iE触摸屏，通过RS485通信协议实现与PLC的高抗干扰通信。所设计的智能衣橱实现了人机智能化交互，可自主完成智能收纳、一键拿取、随心搭配、除潮除湿等功能。
关键词：S7-200 PLC；智能衣橱；结构设计；控制系统
Design of Intelligent Wardrobe Structure and Control System Based on S7-200 PLC
Zhang Xiaoyue1，Ruan Yixin1，Shi Shi1，Peng Chunyan2，Li Bing1※
(1.College of Engineering,Huzhou University,Huzhou,Zhejiang 313000,China;
2.Zhejiang Heliang Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Huzhou,Zhejiang 313000,China)
Abstract:In order to solve the problems such as space waste caused by unreasonable storage space planning of traditional wardrobe,difficult to placing clothes at high places and hidden dangers of safety,the traditional wardrobe was intelligently transformed.After the transformation,the wardrobe system was composed of identification storage system,automatic hanging and picking up clothing system,intelligent storage system,information management system,intelligent moisture control system.The control system was based on S7-200 Siemens PLC controller,the MT8071iE touch screen was adopted as control panel,the high anti-interference communication with PLC was realized through RS485 communication protocol.The intelligent wardrobe designed realizes human-computer intelligent interaction,which can independently complete various functions such as intelligent storage,one-button access,matching,moisture removal and dehumidification.
Key words:S7-200 PLC;intelligent wardrobe;structural design;control system design
0引言
随着国民经济及科学技术的发展，智能系统发展迅速[1]，智能化时代对家具的生产模式和功能的需求不断提高，智能化家居是一个必然的发展趋势[2]。衣橱是使用频率非常高的家具之一，但是很多衣橱还停留在传统模式，没有智能化的特点，不能给使用者带来更好的体验。不仅如此，因为一部分使用对象的特殊性[3]，传统衣橱对于他们并不适用。在智能家居中智能衣橱是一个重要环节，因此分析与掌握智能衣橱的设计与改造方式是解决传统衣橱使用不便的首要任务，一些功能配置的灵活实现是人们在使用智能衣橱过程中的需求基础[4]。
国内外学者针对智能衣橱设计改造进行了大量研究。祝景月等[5]考虑了盲人的特殊性，设计了带有图像识别、语音识别、深度学习等功能的智能衣橱。朱瑞昕等[6]考虑衣橱存取物品的危险性高和功能单一等实际问题，设计了含智能升降系统的衣橱。刘晓龙等[7]结合物联网技术的发展、智能手机APP和人机交互等因素，设计了一款具有自动烘干、根据气温合理搭配衣服、自动叠衣等功能的衣橱。秦思源等[8]为解决洗衣店取衣不便的情况，设计了带有旋转式自主存取衣物的机电系统智能衣橱。陈旭等[9]针对衣物数量多而导致难以分类整理和寻找的情况，设计了一款智能分拣式家居衣橱。上述设计虽然都颇具创新性及功能针对性，并且应用了较为先进的技术弥补了传统衣橱的使用缺陷，但均造价高且功能单一，不利于量产与普及。
在不断更迭的智能衣橱设计和制造中，如何实现使用方便、储物能力强、除潮防湿以及有效防止衣物霉变等需求是人们进一步追求的目标。在设计衣橱的过程中，应综合考虑人、衣物和衣橱之间的关系。在此基础上，本文设计基于S7-200 PLC西门子控制器的智能衣橱，实现智能收纳，随心搭配，拿取衣物自动化和智能除潮防湿等功能，能够在很大程度上有利于人们的生活，并在一定程度上改变人们的生活方式。
1智能衣橱原理及其结构设计
1.1智能衣橱的组成
该智能衣橱由3部分组成：衣橱框架、小车移动机构和升降转移机构。衣橱框架的主要组成部分是衣橱外部框架、图像识别装置、温度湿度控制装置、两个收纳柜和一个控制面板等；小车移动机构位于衣橱顶部；升降转移机构位于衣橱内部下方。所设计的智能衣橱如图1所示。
1.2衣橱框架设计
衣橱框架是智能衣橱的重要组成部分。整个衣橱的外部框架由6块木板组成，底部分布有2个收纳柜，专门收纳整理内衣、袜子等小件零散衣物。衣橱前板装有用户窗，可通过门把打开，以便用户取放衣物；衣橱前板还装有控制面板，用户可通过控制面板进行一系列的功能操作，与衣橱进行交互。用户窗与控制面板具体位置如图2所示。衣橱顶部装有图像识别装置(摄像头)，可以在衣物通过小车进入到可识别范围内时录入衣物基本信息，随即将相应数据存入衣橱衣物管理系统。
1.3小车移动机构结构设计
小车是小车移动机构的重要组成部分，由小车上板、小车下板以及两对电磁铁构成。小车上板与环形导轨连接。小车下板可通过电磁铁通电与小车上板相连接，也可通过环形夹与升降杆相连接，是转移衣物所需的重要部件，挂钩则用来挂衣物。根据实际设计要求，并考虑到功能的实现，最终确定小车的整体尺寸为长634 mm、宽294 mm、高72 mm。小车结构如图3所示。
小车移动机构是智能衣橱的重要组成部分，置于衣橱顶部，运作时，顶部电动机带动齿轮转动，齿轮和齿条啮合，带动齿条转动，齿条与小车通过销钉链接，小车随齿条转动，从而实现衣物的收纳整理和一键拿取。小车移动机构如图4所示。
1.4升降转移机构结构设计
升降转移机构置于衣橱内部下方，由自动升降杆和小车下板构成，机构中升降杆的最低处与用户窗中间高度平齐。收纳衣物时，用户将衣物挂置在小车下板的挂钩上，液压升降装置工作，升降杆上升，上升至小车下板电磁铁可与小车上板电磁铁吸合的位置，电磁铁通电，小车上下板电磁铁吸合，便可实现将衣物由升降装置转移到小车移动装置。取衣时，电磁铁断电，小车上板与下板分离，小车下板利用重力，通过环形扣与升降杆连接，液压升降装置工作，升降杆下降。用户可通过该装置存取衣物。升降转移机构结构如图5所示。
2控制系统设计
该智能衣橱自动化控制系统采用“PLC+触控面板集中控制”的控制系统方案，符合当前智能家居自动化控制系统发展的趋势，能够实现从智能衣橱内取出指定衣物及将挂在指定位置的衣物收纳进衣橱收纳处的控制，并能在指定时间进行自动除潮。
该控制系统包括：满足要求的控制系统硬件设备、衣物识别系统、自动拿取衣物的运动控制系统和智能除潮防湿系统。该控制系统应具备以下基本功能：
(1)全自动控制驱动设备(如收纳链条驱动器、放取杆驱动器、电磁铁、除湿设备等)；
(2)触控面板采用中文语言，操作简单易懂；
(3)在触控面板中可以实现对设备的控制和监控操作。
2.1控制系统结构
该智能衣橱控制系统以S7-200西门子PLC控制器为核心，使用威纶通触摸屏MT8071iE款作为触控面板，通过高抗干扰能力的RS485通信协议实现触控面板使用者所输入的关键参数与PLC通信。控制系统结构如图6所示。
2.2链条转动控制
收纳链条使用步进电机进行控制，适配具有高集成度、高可靠性的驱动ZD-2HD33性能两相步进电机驱动器，进行高精度行程控制。在接收到取衣信号时，识别系统先识别出挂着指定衣物的小车，利用程序算出链条将该小车转动到指定位置所需的时间，并驱动链条转动，链条转动到指定位置后，电机停止转动，并发出到位信号；同理，在接收到放衣信号时，识别出未挂衣物的小车，并驱动链条转至指定位置后停止。
2.3放取杆控制
放取杆使用闭环一体化步进电机PMC007C6SEx42xx进行控制，采用工业标准CANOPEN DS301控制协议，适合高精度、宽范围的行程控制。放取杆控制分为取衣控制和放衣控制，可以实现将衣物取出至用户窗以及将用户通过窗口放置好的衣物送至收纳区域的功能。放取杆控制流程如图7~8所示。
2.4电磁铁通断电控制
通过电磁铁的通断电能够控制收纳系统和放取系统，既能够使衣物从小车上移动到放取杆上，从而送出用户窗，又能够将用户放置在收取杆上的衣物送至链条和小车上进行收纳。
当收到电磁铁可以断电的信号后，电磁铁带着衣物与小车或放取杆分离；当收到电磁铁可以通电的信号后，电磁铁带着衣物与小车或放取杆连接。另外，电磁铁通电后足够承受15 kg的质量，远大于所收纳的衣物质量。
2.5除湿系统
在南方的梅雨季节以及其他地区遇上阴雨天气时，空气湿度较高，晾晒衣物不便，而衣橱里容易潮湿，会使衣物发霉，此时，衣橱内部能够做到除湿和烘干衣物是十分实用的。对于只能实现手动或电动开、关控制，在一些室温下升温较慢的传统加热器而言，本除湿系统中使用的1 600 W超导PTC暖风机[10]性能良好。在室温下陶瓷PTC的电阻较小，而在通电后电阻可实现阶跃增加，并且能在最终趋于平衡，稳定性好，最重要的是陶瓷PTC可以安全可靠地长期加热使用。
2.6系统软件设计
上电后，智能衣橱的各系统模块迅速完成初始化，完毕后启动触控面板，人机界面随之开启，等待用户进行所需操作[11]。S7-200控制器工作，接收数据进行相应的算法处理，控制系统实现相应的功能。
3具体操作
收纳衣物时，用户打开用户窗，将需收纳的衣物置于升降衣杆的小车下板挂钩上，衣杆在液压升降装置的控制下，升到小车上板电磁铁与下板电磁铁可吸合的高度，电磁铁通电，小车上板电磁铁与下板电磁铁吸合，小车运动置设定位置(图像识别区域位置)，图像识别装置开始录入信息；录完信息后，小车运动装置将衣物放到最终设定位置，收纳完毕。拿取衣物时，小车运动装置将衣物移动到用户窗上方位置，衣杆在液压升降装置的控制下，升到小车下板高度，电磁铁断电，小车下板与上板分离，跟随升降转移机构的衣杆回到用户窗，用户拿取衣物。当收纳柜放入内衣、袜子时，柜子内部的紫外光会自动亮起，持续一段时间后停止，以达到杀菌的作用。
4实践使用情况及分析
本次选取4名日常生活中以传统衣橱为主的用户对以S7-200PLC控制器为核心的智能衣橱进行可用性测试，根据用户对其功能、人机交互及界面的真实感受及反馈的问题进行改进优化，使它更加符合用户及市场的需求。智能衣橱可用性测试结果如下：
(1)产品收纳空间布局合理，分类清晰，外观颜色可自主搭配，符合当代审美，受到用户好评；
(2)产品自主拿取衣物功能以及通过面板就可进行衣橱管理功能的用户体验较好，解决了用户高处取衣难、分类管理难等问题，使用时更加省时省力；
(3)产品交互面板界面美观，功能界面分布清晰有标识，页面跳转、按钮点击、个性化界面等均符合用户日常操作习惯，用户能够快速地熟练使用；
(4)拿取衣服的速度有待提高；
(5)衣物智能管理以及智能搭配功能还可以进一步优化；
(6)针对用户信息的安全管理问题，还需制定更加完善的程序规则。
5结束语
本文分析了传统衣橱的优缺点，以使用方便、储物能力强、除潮防湿以及有效防止衣物霉变等用户需求为目标，对传统衣橱进行改造创新，设计了一款以S7-200PLC控制器为核心的智能衣橱。在传统衣橱框架中加入了小车移动机构以及升降转移机构，优化了收纳空间，使得拿取衣物更加便捷，同时消除了高处放取衣物的安全隐患。与传统衣橱相比，其功能性有了较大改进，具有智能收纳、一键拿取、随心搭配、除潮除湿等功能，并且能通过触控面板实现智能的人机交互，很好地提升了用户的使用感。该智能衣橱还具有安全可靠的除湿消毒等功能，操作简单且具有较完善的安全措施，能够使系统平稳运行，市场前景较好。
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