CN108660708B - 结合式智能阳台逃生晾衣架 - Google Patents

Abstract

结合式智能阳台逃生晾衣架，属于智能家居领域，为了解决晾衣架的智能化问题，包括晾晒架及与晾衣架连接的逃生梯，还包括安在在晾衣架上的用以监测室外降雨的雨滴传感器、用以监测室外温湿度的温湿度传感器、用以监测雾霾天气的PM2.5传感器、用以监测狂风天气的风速传感器，所述雨滴传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、风速传感器连接控制器，控制器与控制传动结构转动轴正、反转的电机连接，并于所述传感器采集信息被计算超限而需要启动电机使得横杆被收回时启动电机转动，有益效果：该方案中晾衣架实现了传感器数据采集解决自动衣服自动收回问题，相较于升降架，能与逃生梯结合。

Description

结合式智能阳台逃生晾衣架

技术领域

本发明属于智能家居领域，涉及一种结合式智能阳台逃生晾衣架。

背景技术

目前人们所使用的晾衣架多为不能随外界环境变化而自动收缩的传统类型。假如住户是双职工，或者住户有事在外，那么如果下雨或者夜晚，传统类型的晾衣架就做不到使晾晒在室外的衣物避雨、避露水的功能。炎热夏日，上班族通常是把衣物晾晒在室外一整天。住户即使在家，为了减少麻烦，也很少在夏日的正午把衣物收回室内，等气温下降之后再把衣物拿出去晾晒，其实暴晒对衣物的损伤极大。

国内现在也有生产智能晾衣架的厂家，但是他们所生产的智能晾衣架都是安装在阳台内部，通过电路的控制使晾衣架根据不同的情况垂直升降，以达到智能晾晒衣物的功能，这种升降器材不适合与逃生梯结合使用，且上、下升降的方式操作难度更大，如老人、小孩不适宜使用。

发明内容

为了解决晾衣架的智能化问题，且使得晾衣架具有应急逃生功能，本发明提出如下技术方案：一种结合式智能阳台逃生晾衣架，包括晾晒架及与晾衣架连接的逃生梯，还包括安在在晾衣架上的用以监测室外降雨的雨滴传感器、用以监测室外温湿度的温湿度传感器、用以监测雾霾天气的PM2.5传感器、用以监测狂风天气的风速传感器，所述雨滴传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、风速传感器连接控制器，控制器与控制传动结构转动轴正、反转的电机连接，并于所述传感器采集信息被计算超限而需要启动电机使得横杆被收回时启动电机转动。

有益效果：该方案中晾衣架实现了传感器数据采集解决自动衣服自动收回问题，相较于升降架，能与逃生梯结合。

附图说明

图1是晾衣架的结构示意图；

图2是安装传感器的晾衣架的结构示意图；

图3是滑轮的结构示意图；

图4是滑动晾衣杆的结构示意图；

图5是逃生梯的结构示意图；

图6是晾衣架的俯视图；

图7是光电追踪装置示意图；

图8是追踪模式图；

图9是视日追踪流程图；

图10是光电追踪部分程序图；

图11是视日追踪部分程序图；

图12是逃生梯的侧视图。

其中：

1.底板，2.立板，3.上框架，4.逃生梯，5.第一组滑轮，6.第二组滑轮，7.第三组滑轮，8.第四组滑轮，9.第五组滑轮，10.第一组牵引绳，11.第二组牵引绳，12.横杆，13.导轨挂钩，14.舵机，15.挂衣杆，16.外层框架，17.中层框架，18.内层框架，19.轨道，20.转动杆，21.霍尔传感器，22.横杆，23.磁铁。

具体实施方式

一种智能逃生晾衣架，包括晾晒架，其主要由底板、立板、上框架、第一组滑轮、第二组滑轮、第三组滑轮、第四组滑轮、第五组滑轮、第一组牵引绳、第二组牵引绳及逃生梯连接而成。对于其滑动晾衣杆部分，主要有控制滑动晾衣杆的传动结构及滑动晾衣杆本身。

具体来说，对于滑动晾衣杆传动结构，所述每组牵引绳均为两条，所述的底板与上框架相向设置，立板与逃生梯相向设置，在底板设置两个相对的支撑柱，其间具有被固定在支撑柱之间的转动轴，第一组滑轮套接在所述转动轴上以能在电机的驱动下随转动轴旋转，第一组滑轮具有两个牵引绳的凹槽以对第一组牵引绳的两条牵引绳同步收放，并在靠近第一组滑轮且处于第一组滑轮上方的的立板面或在第一组滑轮对应的上框架的框架边位置设置第二组滑轮，第一组牵引绳由第一组滑轮绕至第二组滑轮，在所述框架边的相对框架边或所述相对框架边的下方设置第三组滑轮，第一组牵引绳由第二组滑轮绕至第三组滑轮，且两条牵引绳经第三组滑轮分别连接在滑动晾衣杆的两个横杆导轨挂钩上；

第四组滑轮套接在所述转动轴上以能在电机的驱动下随转动轴旋转，第四组滑轮具有两个牵引绳的凹槽以对第二组牵引绳的两条牵引绳同步收放，在靠近第四组滑轮的立板面对应设置第五组滑轮，第二组牵引绳由第四组滑轮绕至第五组滑轮，第二组的两条牵引绳经第五组滑轮分别连接在滑动晾衣杆的横杆的两个端部，在所述立板面的第五组滑轮的上方，竖直分布若干组滑轮，第二组牵引绳经第五组滑轮，依次绕至该竖直分布的各组滑轮，再经由其将第二组牵引绳的两条牵引绳分别连接在滑动晾衣杆的横杆的两个端部，以方便滑动晾衣杆高度调节时方便调第二组整牵引绳的角度；

所述第一组滑轮与第四组滑轮的牵引绳收放方向相反。

设第一组滑轮逆时针旋转为收线方向，则第四组滑轮逆时针旋转为放线方向。

对于使得滑动晾衣杆水平不同方向滑动以实现晾晒和收起的作用，主要过程如下：

第一组滑轮逆时针旋转收线，第二组滑轮随动逆时针转动，第三组滑轮随动逆时针转动，横杆被拉向靠近第三滑轮的位置，此时，第四组滑轮同步第一组滑轮逆时针转动以处于放线状态，而横杆被拉向靠近第三组滑轮时，横杆拉动牵引绳并使得第五组滑轮顺时针转动，将第四组滑轮的放线供给至横杆。

第四组滑轮顺时针旋转收线，第五组滑轮随动顺时针转动，横杆被拉向靠近第五滑轮的位置，此时，第一组滑轮同步第四组滑轮顺时针转动以处于放线状态，而横杆被拉向靠近第五滑轮时，横杆拉动牵引绳并使得第三组滑轮顺时针转动，并带动第二组滑轮顺时针转动，将第一组滑轮的放线供给至横杆。

作为优选方案，滑动晾衣杆的滑动方向是由第三组滑轮附近至第一组滑轮附近，并成下滑趋势，下滑的趋势下，上框架在该部分是封闭的，可以在回收衣服后挡雨。

对于滑动晾衣杆本身，所述的滑动晾衣杆包括横杆、横杆两个端部的横杆导轨挂钩、位于横杆上的舵机及位于舵机上的挂衣杆，该两个横杆导轨挂钩钩挂并沿着支架的两个平行轨道滑行，所述的支架为两根平行轨道组成，轨道的一个端部安装在底板或立板，另一个端部安装在第二组滑轮附近。

在所述智能逃生晾衣架，靠近其第三组滑轮的框架上安装的所述逃生梯，逃生梯包括由横杆连接的左端部和右端部，各端部均是嵌套的外、中、内三层框架，各端部的各层框架相对设置，横杆连接在各层框架以将左、右端部连接，各端部的外层框架的下底面开口且底面两侧留有向内的横向面，中层框架是分立的两个杆件，各杆件的上端具有向外的横向面，杆件的下端具有向内的横向面，内层框架为柱且上、下端均具有向外的横向面。左端部和右端部的外层框架之间连接有转动杆，并在外层框架中位于内层框架上方的转动杆上，套接有随动旋转的滑轮，所述滑轮的牵引绳与内层框架的柱的上端连接，电机驱动以控制转动杆旋转。

在逃生梯展开时，即滑轮放线，所述的内层框架的柱的上方的向外的横向面与中层框架的杆件下方的向内的横向面配合，以防止下行中的柱脱离杆件；中层框架的两个分立杆件的上端的向外的横向面与外层框架的向内的横向面配合，以防止下行中的杆件脱离外层框架；在逃生梯收缩时，即滑轮收线，内层框架的柱的下方的向外的横向面与中层框架的杆件下方的向内的横向面配合，并抵住所述的杆件的向内的横向面以带动杆件上行。

所述逃生梯的柱的底端安装磁铁，本层逃生梯由烟雾报警系统启动而随动启动，本层的逃生梯展开，该磁铁触发下一楼层安装在逃生梯外层框架上的霍尔传感器，所述下一楼层的逃生梯展开，所述下一楼层的柱的底端安装的磁铁触发再下一楼层安装在逃生梯外层框架上的霍尔传感器，再下一楼层的逃生梯展开并触发器下一楼层，直至逃生梯搭建至底层。

智能逃生晾衣架还包括用以判断太阳入射方向的光敏传感器，以使得舵机对太阳入射角度追踪。4个光敏传感器呈十字分布并安装在一个圆盘上面，在圆盘的外面套上中空的圆柱罩，圆柱罩顶上有一个透光孔，每个光敏传感器和它最近的那个光敏传感器之间的都保持有间隙，传感器之间的间隙为6mm。优选，圆柱罩的高度H＝50mm。由圆柱罩顶端的透光孔入射的太阳光，由4个光敏传感器检测，对于光强度检测值为最大的光敏传感器所在位置，若可以判断当前光照强度为晴天的光照强度，则所述位置角度作为舵机的随动转动所到达的位置角度。对4个方向的光强进行检测，分为左右光强偏差检测和上下光强偏差检测，控制系统采集4路光敏传感器的电压值，转换成数字信号后存入相应的变量内，把每对光敏传感器的电压差转换成相应的脉冲周期信号，周期脉冲信号计算得到，脉冲周期信号也就是PWM就是由高低电平通断时间，驱动舵机转动，减小偏差，而后继续采集信号，直到偏差范围允许之内时，光电跟踪停止，达到定位追踪的目的。

智能逃生晾衣架还包括用以监测晾滑动晾衣杆所在位置的经纬度的GPS，以在阴天进行视日运动轨迹追踪。控制系统的时钟芯片读取即时时间，使用GPS数据及内设函数计算出太阳角度，并控制舵机按计算出的轨迹运转以追踪太阳。

智能逃生晾衣架还包括用以监测室外降雨的雨滴传感器。

智能逃生晾衣架还包括用以监测室外温湿度的温湿度传感器。

智能逃生晾衣架还包括用以监测雾霾天气的PM2.5传感器。

智能逃生晾衣架还包括用以监测狂风天气的风速传感器。

智能逃生晾衣架所述雨滴传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、风速传感器连接控制器，控制器与控制转动轴正、反转的电机连接，并于所述传感器采集信息被计算超限而需要启动电机使得横杆被收回时启动电机转动。

下述是对述及的各部分传感器作出简要介绍：

光敏传感器：光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

雨滴传感器：雨滴传感器是利用其压电振子的压电效应，将机械位移(振动)变成电信号，然后根据雨滴冲击的能量转变的电压波形对其他元件进行控制。而且根据电压波形的变化，可以得到雨量的大小从而对汽车刮水器等进行更为准确的控制。传感器采用高品质FR-04双面材料，超大面积5.0*4.Ocm，并用镀镍处理表面；比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA；配电位器调节灵敏度；工作电压3.3V-5V；输出形式:数字开关量输出(0和1)和模拟量AO电压输出；设有固定螺栓孔，方便安装；小板PC B尺寸:3.2cm x1.4cm；使用宽电压LM393比较器。

温湿度传感器：DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。

霍尔传感器：霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

智能逃生晾衣机的框架安装在窗户外墙面上或阳台栏杆上，宽度可按照窗户或阳台大小配制，可滑动的滑动晾衣杆的两端带有轴承的滑轮，支承在主体框架左右两侧的滑轨上，其下端为舵机相连的挂衣杆，牵引绳与滑动晾衣杆连接，电机驱动牵引绳来拉动滑动晾衣杆至指定位置。

在主体框架的前端放置的光敏传感器、雨滴传感器、PM2.5、湿度传感器，使得自动的智能逃生晾衣架具有在下雨、潮湿、暴晒天气及光线暗淡时实现对衣物的智能收取的功能。当室外温度较高，阴雨天，大风，沙尘暴等极端天气时，控制系统相应检测到较高的温度值、湿度值、风级指数、颗粒物指数等，且为减少误报率，这些对天气参数监测的传感器对应每种极端天气状况都能相互多重检测。用户可根据当地实际的天气状况进行温湿度、风速、pm2.5值进行个性化的预设定以满足不同地域用户的要求，且可以根据传感器设置多票投票机制，即设置2个或多个传感器检测数据达到阈值才收取衣物。

本发明利用光敏传感器结合相应的算法实现对太阳位置追踪，它能在极低功耗的条件下实现对太阳位置的相对准确的追踪并返回相应的信息给控制端以驱动舵机转动。使晾滑动晾衣杆的滑动晾衣杆在舵机的控制下时刻保持向阳状态，使得晾衣获取最大限度的太阳光照，充分利用太阳效能，下文中将详细介绍本发明对于太阳位置的追踪方法及涉及的模型。

智能逃生晾衣架的控制系统由单片机控制端、Labview显示端组成，滑动式的阶梯型的滑动晾衣杆平时发挥晾晒衣服的功能，一旦发生火灾等险情时就层层衔接，层层触发快速形成应急逃生通道，变被动救援为主动逃生，实现快速、安全逃生。其工作原理为:当室内发生火灾且烟雾报警器发生报警时，通过单片机控制系统能够使伸缩晾滑动晾衣杆下放，当触碰到霍尔传感器时下楼层晾衣杆同样会自动下放，以此类推，不管哪一层发生险情都能在最短时间内形成一条逃生通道；与此同时，GPS传感器能将当前的若在烟雾报警器给出信号之前控制系统被烧坏，着火层的逃生装置也能通过按动触发键的手动方式使晾衣杆下翻，着火层以下楼层的晾衣杆根据霍尔传感器给定的信号依然能够实现自动下放。逃生装置中自动与手动并存，使逃生人员的生命安全更有保障。逃生后通过Labview上位机控制端能使晾滑动晾衣杆恢复原状。主要适用于学生宿舍楼、工厂宿舍楼、居民楼等人口比较密集的建筑和住宅。

晾衣架工作步骤：

将本公开涉及的智能逃生晾衣架的各部分通电，雨滴传感器与温湿度传感器检测到室外为晴天时，电机带动横杆导轨挂钩上移，当触碰到支架上的上方的限位开关时停止，4个光电对管和GPS判断太阳高度，来控制舵机调节衣服挂钩角度以正对太阳，充分利用太阳光。

收衣服步骤：

当雨滴传感器检测到室外有雨或温湿度传感器检测到室外温度较高或湿度较大时，电机横杆导轨挂钩下移收回衣服。PM2.5传感器和风速传感器综合检测外面的天气状况，当雾霾或沙尘天气及狂风天气等极端天气下及时将衣物收回。

晾衣架中用到多重智能传感器使衣架更加安全可靠性价比大幅提升：风速传感器、PM2.5传感器、雨滴传感器、温湿度传感器主要通过单片机控制反馈作用在电机上，使电机正反转负责衣架智能晾衣服和收衣服。光电对管和GPS也是通过单片机用具体的算法来作用在舵机调节衣服挂钩的角度以正对太阳，充分利用太阳光。支架上的限位开关可调节用于控制横杆导轨挂钩的最高和最低位置。

逃生梯工作步骤：

当逃生梯上的烟雾传感器检测到的烟雾超出额定值时，减速电机放下逃生梯，逃生梯底端的磁铁触发下一层逃生梯上的霍尔传感器，以驱动电机下放下一层的逃生梯，依次触发，直达底层。

智能逃生晾衣架的上位机监控部分，所有传感器采集的数值参数都会显示在上位机界面，而且程序中的阈值设定都是可以通过上位机更改。

上述方案具有如下效果：

1.集labview显示控制端，单片机控制处理端，传感器采集端一体的综合自动化控制系统，使得操作简洁便利，易于管理；

2.晾衣机结构紧凑，安装便利，适用于敞开式窗户或凉台使用。使用自动化控制装置控制晾衣架的伸缩，方便挂取衣物；

3.实时进行太阳位置追踪，使得晾衣单元获得最大限度的太阳光照，充分利用太阳效能；

4.突发险情时利用烟雾报警，层层衔接，层层触发快速形成应急逃生通道，变被动救援为主动逃生，安全可靠；

5.全分布式“无漏点”传感，智能报警。

下面对太阳位置追踪及驱动舵机的方式作出详细说明：

本发明的太阳光追踪方式有两种，一是光电检测追踪模式，通过对太阳光的即时检测来进行追踪；另一种则是视日运动轨迹追踪模式，即通过预先设定函数来计算太阳的方位，进行固定转动进行追踪，为了提高追踪质量，前面两种追踪模式被结合起来对太阳光进行追踪，即晴天的时候，光照强度充足，使用光电检测追踪模式，阴天等光照强度不足，视日运动轨迹追踪模式，从而产生更高的追踪效率。采用对光电检测追踪模式以及视日运动轨迹追踪模式这两者优点的结合模式，晴天时采用光电检测追踪模式，使用光敏传感器，利用光敏传感器的电压差值比较来判断太阳方位，配合舵机控制机械部分对阳光进行即时追踪，该模式接收效率高；阴雨天进入视日运动轨迹追踪模式，通过预先设定函数计算当时太阳的方位角和高度角来进行追踪，确定工作流程进度，用光敏传感器系统检测此刻是白天还是晚上，如果是晚上，系统就不运行；如果是白天，优先顺序是用光电检测跟踪来进行追踪，但是一旦光敏传感器接收的光能过小时，如遇阴雨天气，单片机系统会自动转入设定视日运动轨迹模式来控制舵机偏转，然后启动定时从外部时钟读取时间修改方位角，保证了系统全日制的工作流程，接收稳定。本发明结合了光电检测和视日系统的优点，取长补短，使整体系统运行更加的精确和稳定。

本发明驱动舵机的方案，舵机每个角度对应不同的控制脉宽.假设舵机初始角度为0°，当给出脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM控制信号时，舵机以400°/s的速度旋转至180°，旋转时间为0.45s.配置一次数据可以产生脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM信号，舵机以最快转速转向对应角度.现控制要求变为舵机以60°/s的速度由0°转至180°，这时采用通用PWM信号发生器需要配置多次，每周期的PWM信号脉宽由0°对应的500ms线性变化至180°对应的2500ms，具体算法如下

设舵机旋转时间为t，PWM控制信号周期T为20×10^-3s，0～180°对应脉宽为0.5×10^-3～2.5×10^-3s，初始角度为α，终止角度为β，则：

需要产生的PWM周期数c＝t/T

初始角度对应脉宽：

初始角度对应脉宽：

每周期PWM信号变化脉宽:

(T_τ>0表示角度增加,T_τ＜0表示角度减小)

以上T_α、T_β、T_τ的单位都是s，配置PWM信号发生器时需要转换成TIMER的计数脉冲个数。由此可见，使用普通PWM信号发生器进行舵机转速控制时需要配置c次，舵机各项参数已知，舵机初始角度已锁定，若舵机需转动至某角度时，只需算出整个控制过程需要产生的PWM周期数c和每周期PWM信号变化脉宽T_τ即可。

1.对于光电检测追踪模式及舵机驱动作出详细说明：

光电检测跟踪模式是一种即时系统，随时根据阳光的大小和入射角的改变来确定接收的方向，首先是使光敏传感器接收到阳光，然后转化成为电信号来传输给单片机，由单片机判断是否应该改变接收角度方向，然后发出指令，控制舵机运行，转动到合适的方位角。

1.1.光电检测追踪模型方案

由光敏传感器确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴、晴天的光敏传感器检测光照强度，判断是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若达要求，由传感器即时感应阳光入射方向，产生的电信号由运算放大器放大后传送给单片机，再由单片机控制舵机运转来改变晾衣杆的朝向，来达到预定要求。

是由传感器即时感应阳光入射方向的系统，由4个光敏传感器构成，这4个光敏传感器是按一定的分布安装在一个圆盘上面的，为了能恰当的接收到太阳光的照射以及避免无谓的干扰，还需要在圆盘的外面套上的中空的圆柱罩做筛选接收阳光的用处，圆柱套顶上有一个透光孔。圆柱罩如果太长了会导致阳光射在内壁上，系统会误认为是阴天甚至晚上，那样轻则损失接收能源效率，严重可能会导致系统切换太过频繁而混乱，甚至死机；太短又会都随时接收，系统无从选择，也容易混乱。这4个光敏传感器呈十字分布，每个光敏传感器和它最近的那个光敏传感器之间都保持一定间隙，隔得太稀了占地方，接收范围变得相对狭窄，接收不到；隔得太近了又容易出现接收混乱，即都接收到或者都接收不到，而且靠近后的光反射折射都会有较大的影响。

圆柱罩的外缘要稍微比圆盘的直径大一点，然后那4个光敏传感器是按一定的分布安装在圆盘上面，为了能恰当的接收到太阳光的照射以及避免无谓的干扰，还需要在圆盘的外面套个中空的圆柱体做筛选接收阳光的用处，圆柱套顶上还要加一个透光孔。其中，我们设定了周围4个传感器之间的距离都稍微大于它们的直径，取为6mm。

对于述及的圆柱的高度H，计算方式如下:假设太阳此时入射角度不是垂直，而是一个倾斜角θ，可以根据需要这个θ来计算出圆柱罩应该的高度。因此，最好的情况是在15分钟内，阳光在圆柱罩内圆盘上移动的距离x不小于0.5个光敏传感器的直径2.5mm，但是也不超过1.5倍光敏传感器直径加6mm的间隙＝13.5mm为好。可以得以下公式:

又因为15分钟太阳移动的角度θ几乎为一个定值，即:太阳白天12小时移动180°，既1小时移动15°，所以15分钟接近移动了4°，因此可知道36mm≤H≤193mm。因此综合考虑到圆柱不宜过高，且尽量避免在每15分钟时恰好出现光柱移动到两个传感器之间的间隙中，取圆柱H＝50mm。

1.2.光电追踪与舵机结合的方案

本发明需要对四个方向的光强进行检测，分为左右光强偏差检测和上下光强偏差检测。单片机采集四路光电传感器的电压值，转换成数字信号后存入相应的变量内。把每对光电传感器的电压差AD转换成数字信号，通过上述舵机驱动的公式，转换成相应的脉冲周期信号，驱动伺服电机转动，以减小偏差，而后继续采集信号，直到偏差范围允许之内时，光电跟踪停止，从而达到定位追踪的目的。光电跟踪可以达到相对精确定位太阳位置的目的。

2.对于视日运动轨迹追踪模式及舵机驱动作出详细说明：

视日运动轨迹追踪，首先要根据当地的经度纬度来判断太阳入射的强度和角度，然后再计算接收角度，编写程序，再从外部的时钟芯片上读取时间，计算好太阳现在在什么方位，和前一次确定的方位上角度相差有多少，以此确定好当前应该控制电机转动的方向和角度。

2.1.视日运动轨迹追踪模型方案

首先是由光照强度检测光敏半导体确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴晴天的光敏传感器检测光照强度是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若是阴天，则转为视日运动轨迹追踪模式，由单片机从时钟芯片读取即时时间，用内设函数计算出太阳角度，控制舵机按计算出的轨迹运转，追踪太阳。

太阳的运行轨迹是在一个立体层面上的，用两个参数来表示:太阳高度角以及太阳方位角。太阳高度角:太阳高度角是指从太阳的中心直射到当地光线与该地水平面夹角，其值在0°到90°之间变化，太阳刚出来和刚落下的时候算做0°，然后正午12点的时候，竖直的物体看不到影子的时候算做90°。太阳方位角:太阳方位角即太阳所在方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可以近似的看作为竖立于地面之上的直线在日光下阴影与正南面的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，那么影子就是在正西方，方位角就为-90°，在正西方，影子就是在正东方，那么方位角就是90°。

在一年有365天，设对应的区间在[0,π]，有日角:

R_n取为年的日期序列，然后n就可以把1月1号取做1,12月31号取做365。

再使用下面的公式，用弧度来表示赤纬δ:

δ＝0.00689-0.39951cosθ₀+0.07208sinθ₀-0.0068cos 2θ₀+0.0009sin 2θ₀-0.00269cos 3θ₀+0.00151sin 3θ₀

太阳时角取为W，用以下公式进行计算:

W＝真太阳时(小时)×15-180；

式中W单位为度，15表示每小时相当于15°时角

真太阳时＝北京时+(当地经度-120)×4÷60+时差

时差(弧度)＝

0.000076+0.001869cosθ₀-0.032086 sinθ₀-0.014616cos 2θ₀-0.04085sin2θ₀

时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π

设太阳高度角和方位角分别为θ_h和θ_p,地理纬度为D，有公式

sinθ_h＝sinDsinδ+cosDcosδcosW

通过对以上的太阳高度角和太阳方位角的介绍，以及相关公式，我们可以知道，只需要确定了经纬度，还有时间，于是就可以通过以上公式计算出当时的太阳具体位置，而且在一年的时间当中，这个值是确定并且唯一的。因为在本系统中要实现即时计算平太阳方位角度，并控制舵机运行带动晾衣杆追踪太阳的轨迹，可以用单片机来实现这个功能，单片机的函数功能是非常强大，通过GPS测量经纬度数值，即时时间通过读取时钟芯片来获得。那么任意时间的平太阳位置，角度值都可以获得。

2.2.视日追踪与舵机结合的方案：

首先进入太阳角度追踪模式后，从时钟芯片DS1302那里获得当前时间，从GPS模块获得当地经纬度信息，再结合预设的公式，计算出此时的太阳高度角及方位角，将方位角通过计算转换成驱动舵机相应的脉冲周期信号，驱动伺服电机转动，而后继续采集信号，直到达到指定的偏差区间内时，追踪停止，从而达到定位追踪的目的，每15分钟循环上述步骤。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种结合式智能阳台逃生晾衣架，其特征在于，包括晾晒架及与晾衣架连接的逃生梯，还包括安在晾衣架上的用以监测室外降雨的雨滴传感器、用以监测室外温湿度的温湿度传感器、用以监测雾霾天气的PM2.5传感器、用以监测狂风天气的风速传感器，所述雨滴传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、风速传感器连接控制器，控制器与控制传动结构转动轴正、反转的电机连接，并于所述雨滴传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、风速传感器采集信息被计算超限而需要启动电机使得横杆被收回时启动电机转动；

滑动式晾衣架还包括用以判断太阳入射方向的光敏传感器，以使得舵机对太阳入射角度追踪，4个光敏传感器呈十字分布并安装在一个圆盘上面，在圆盘的外面套上中空的圆柱罩，圆柱罩顶上有一个透光孔，每个光敏传感器和它最近的那个光敏传感器之间都保持有间隙，传感器之间的间隙为6mm，圆柱罩的高度H＝50mm，由圆柱罩顶端的透光孔入射的太阳光，由4个光敏传感器检测，对于光强度检测值为最大的光敏传感器所在位置，若可以判断当前光照强度为晴天的光照强度，则所述光强度检测值为最大的光敏传感器所在位置角度作为舵机的随动转动所到达的位置角度，对4个方向的光强进行检测，分为左右光强偏差检测和上下光强偏差检测，控制系统采集4路光敏传感器的电压值，转换成数字信号后存入相应的变量内，把每对光敏传感器的电压差转换成相应的脉冲周期信号，周期脉冲信号计算得到，脉冲周期信号PWM表示由高低电平通断时间，驱动舵机转动，减小偏差，而后继续采集信号，直到偏差范围允许之内时，光电跟踪停止，达到定位追踪的目的；

滑动式晾衣架还包括用以监测滑动晾衣杆所在位置的经纬度的GPS，以在阴天进行视日运动轨迹追踪，控制系统的时钟芯片读取即时时间，使用GPS数据及内设函数计算出太阳角度，并控制舵机按计算出的轨迹运转以追踪太阳；

太阳光追踪方式有两种，一是光电检测追踪模式，通过对太阳光的即时检测来进行追踪；另一种则是视日运动轨迹追踪模式，通过预先设定函数来计算太阳的方位，进行固定转动进行追踪；

光电检测追踪模式、视日运动轨迹追踪模式两种追踪模式被结合起来对太阳光进行追踪，晴天的时候，光照强度充足，使用光电检测追踪模式，光照强度不足时，使用视日运动轨迹追踪模式；

舵机每个角度对应不同的控制脉宽，假设舵机初始角度为0°，当给出脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM控制信号时，舵机以400°/s的速度旋转至180°，旋转时间为0.45s，配置一次数据可以产生脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM信号，舵机以最快转速转向对应角度，现控制要求变为舵机以60°/s的速度由0°转至180°，这时采用通用PWM信号发生器需要配置多次，每周期的PWM信号脉宽由0°对应的500ms线性变化至180°，对应的2500ms，具体算法如下：

设舵机旋转时间为t，PWM控制信号周期T为20×10-3s，0～180°对应脉宽为0.5×10-3～2.5×10-3s，初始角度为α，终止角度为β，则：

需要产生的PWM周期数c＝t/T

初始角度对应脉宽：

终止角度对应脉宽：

每周期PWM信号变化脉宽：

T_τ>0表示角度增加，T_τ<0表示角度减小；

以上T_α、T_β、T_τ的单位都是秒，配置PWM信号发生器时需要转换成TIMER的计数脉冲个数，使用普通PWM信号发生器进行舵机转速控制时需要配置c次，舵机各项参数已知，舵机初始角度已锁定，若舵机需转动至某角度时，只需算出整个控制过程需要产生的PWM周期数c和每周期PWM信号变化脉宽T_τ即可；

光电检测追踪模式及舵机：

光电检测追踪模式

由光敏传感器确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴、晴天的光敏传感器检测光照强度，判断是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若达要求，由传感器即时感应阳光入射方向，产生的电信号由运算放大器放大后传送给单片机，再由单片机控制舵机运转来改变晾衣杆的朝向，来达到预定要求；

是由传感器即时感应阳光入射方向的系统，由4个光敏传感器构成，这4个光敏传感器是按一定的分布安装在一个圆盘上面的，在圆盘的外面套上的中空的圆柱罩做筛选接收阳光的用处，圆柱套顶上有一个透光孔；

圆柱的高度H，计算方式如下：假设太阳此时入射角度不是垂直，而是一个倾斜角θ，根据需要的倾斜角θ来计算出圆柱罩应该的高度，在15分钟内，阳光在圆柱罩内圆盘上移动的距离x不小于0.5个光敏传感器的直径，即2.5mm，但是也不超过1.5倍光敏传感器直径加6mm的间隙＝13.5mm；可以得以下公式：

又因为15分钟太阳移动的角度θ几乎为一个定值，即：太阳白天12小时移动180°，既1小时移动15°，所以15分钟接近移动了4°，因此可知道36mm≤H≤193mm；因此综合考虑到圆柱不宜过高，且尽量避免在每15分钟时恰好出现光柱移动到两个传感器之间的间隙中，取圆柱H＝50mm；

视日运动轨迹追踪模式及舵机：

视日运动轨迹追踪模式

首先是由光敏传感器确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴晴天的光敏传感器检测光照强度是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若是阴天，则转为视日运动轨迹追踪模式，由单片机从时钟芯片读取即时时间，用内设函数计算出太阳角度，控制舵机按计算出的轨迹运转，追踪太阳；

太阳的运行轨迹是在一个立体层面上的，用两个参数来表示:太阳高度角以及太阳方位角；太阳高度角：太阳高度角是指从太阳的中心直射到当地光线与该地水平面夹角，其值在0°到90°之间变化，太阳刚出来和刚落下的时候算做0°，然后正午12点的时候，竖直的物体看不到影子的时候算做90°；太阳方位角：太阳方位角即太阳所在方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可以近似的看作为竖立于地面之上的直线在日光下阴影与正南面的夹角；方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，那么影子就是在正西方，方位角就为-90°，在正西方，影子就是在正东方，那么方位角就是90°；

在一年有365天，设对应的区间在[0,π]，有日角:

R_n取为年的日期序列，然后n就可以把1月1号取做1,12月31号取做365；

再使用下面的公式，用弧度来表示赤纬δ：

δ＝0.00689-0.39951cosθ₀+0.07208sinθ₀-0.0068cos2θ₀+0.0009sin2θ₀-0.00269cos3θ₀+0.00151sin3θ₀

太阳时角取为W，用以下公式进行计算：

W＝真太阳时(小时)×15-180；

式中W单位为度，15表示每小时相当于15°时角

真太阳时＝北京时+(当地经度-120)×4÷60+时差

时差(弧度)＝0.000076+0.001869cosθ₀-0.032086sinθ₀-0.014616cos 2θ₀-0.04085sin2θ₀

时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π

设太阳高度角和方位角分别为θ_h和θ_p,地理纬度为D，有公式

sinθ_h＝sinDsinδ+cosDcosδcosW

通过GPS测量经纬度数值，即时时间通过读取时钟芯片来获得，任意时间的平太阳位置，角度值都可以获得：

视日追踪与舵机结合：

首先进入太阳角度追踪模式后，从时钟芯片DS1302那里获得当前时间，从GPS模块获得当地经纬度信息，再结合预设的公式，计算出此时的太阳高度角及方位角，将方位角通过计算转换成驱动舵机相应的脉冲周期信号，驱动伺服电机转动，而后继续采集信号，直到达到指定的偏差区间内时，追踪停止，从而达到定位追踪的目的，每15分钟循环光电检测追踪步骤。

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