基于物联网的自动存取鞋柜控制设计

戚欣妍，张 陈，谭若瑶，周丽琳，孙 萌，胡文豪

（江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001）

0 引言

目前，市面上多数智能鞋柜只能对鞋子进行除臭、保养以及杀菌等操作。此外，也有一些企业为大型商场和公共场所生产某种工业自动存取柜[1-5]。然而，至今为止在智能家具领域还没有一种可以实现存鞋与取鞋过程自动化的鞋柜。因此，为了适应大部分群体对新型智能家具的需求并填补市场空白，鞋柜自动存取控制系统亟待开发。

鞋柜本身拥有庞大的销售市场，而智能鞋柜作为老式鞋柜的高科技化产品，它的市场前景不可估量，它可以取代传统鞋柜，满足消费者的潜在需求，迅速占领市场[6-7]。智能鞋柜融合了目前电器领域最顶尖的智能技术，从功能性、美观性、审美性、科技性方面都具有良好的特性，受到发达国家消费者的热力追捧，目前中国市场也初露消费倾向[8-10]。本文基于物联网模块与下位机PLC 控制器通信交互方法设计了一款智能鞋柜，结合手机智能云平台实现控制，用户可以利用手机云平台人机界面自行选择自己需要的操作。

1 系统总体设计

鞋柜整体由上下两部分构成，首先是下半部分的物联网自动存取鞋柜，其次是上半部分根据日常用途设计的传统鞋柜。下半部分物联网自动存取鞋柜主要实现两种运动：一是放置点与存取平台之间的内部前后运动；二是存取平台的外部平面运动。内部前后运动通过带传动实现，外部平面运动通过两台伺服电机连接滚珠丝杠传动机构实现。下半部分自动存取鞋柜采用盖板封装，使用螺钉连接固定，结构简单易于维护。此外，利用螺钉将外部平面运动机构固定在自动存取柜体中。上半部分传统鞋柜通过门铰链连接门与柜体，采用螺钉连接门与把手，抽屉放于中间。三维总体装配如图1所示。

图1 三维总体装配示意图

2 系统元器件的选择

本设计综合经济效用、产品性能选择各种元器件，具体见表1 所列。

表1 系统元器件

3 电气接线方式设计

由于总共有10 个鞋子放置点和1 个存取平台，故一共需要11 个直流电机以及22 个直流继电器以实现直流电机正反转。物联网模块与PLC 控制器相连，X轴与Y轴伺服驱动器各搭配1 个端子排以方便接线。X1、X2、X3、X4分别连接四个行程开关，作为两个滚珠丝杠传动的四个极限位置。模拟运行平台电气接线如图2所示。

图2 电气接线方式

本次设计使用伺服电机时采用的是位置控制方式，故每台伺服电机各有两个信号输出点，即脉冲信号和方向信号。在这两个信号的控制下就可以使伺服电机精确运动，实现通过滚珠丝杠传动运动的存取平台与对应放置点精确对应。

4 系统软件设计

4.1 系统控制流程设计

综合多方面考虑，本设计使用PLC 控制程序。根据设计所需实现的相应功能，本课题选择三菱旗下FX3U 系列PLC控制器，型号为FX3U-64MT/ES-A。控制系统程序流程如图3所示。

图3 控制系统程序流程

4.2 物联网模块

本设计使用的物联网模块是创恒P432B，其拥有云平台以及VPN 远程更新与编程功能，方便实现远程维护和设备更新。创恒P432B 拥有完备的服务体系、地图监控、组态监控、设备管理、智能网关、定时任务等功能。P432B 支持有线WAN 口、LAN 口、WLAN 网络以及4G 网络接口，支持一路串口到网络数据透传的功能。在工控联网、智能电网、个人医疗、智能家居等这些需要数据传输的领域有较大的应用优势。先将PLC 与P432B 相连，实现PLC 控制器与物联网模型通信，在云平台中添加主机实现计算机与PLC 通信；然后在云平台中建立物联网人机界面，使手机可以控制PLC控制器；最后，用户使用时打开微信小程序中的人机界面即可控制整个系统。用户可以通过此微信小程序控制整个系统，这样就可以自行选择鞋子的存入或取出，一切由自己控制。此外，用户可以根据自己的需求对人机界面进行优化，例如按钮、提示等。

5 系统调试

5.1 电气元件测试

行程开关的调试：将行程开关的一端接入PLC、另一端接入COM 端即可，当行程开关按下时PLC 控制器输入端信号发生变化则表明行程开关调试完毕。

伺服电机的调试：利用MELSOFT MR Configurator2 在无程序输入环境下对伺服驱动器以及伺服电机进行运行测试。分别点击图中正转与反转图标测试伺服电机能否进行正反转运行，再点击强制停止按钮测试伺服电机紧急停止开关是否能正常工作。若上述两项均无问题，则表明伺服驱动器与伺服电机均无问题。

5.2 关键程序调试

手动模式程序调试：将GX Works2 中编写的PLC 程序远程写入PLC 控制器。通过GX Works2 监视模式观测PLC状况，利用手机云平台控制辅助继电器，分别测试X轴与Y轴伺服电机；然后利用云平台继续测试存取平台与对应放置点的各个直流电机，由于直流电机是通过中间继电器实现正反转的，所以直流电机实现正反转即表明中间继电器运行正常且无故障。

自动存入系统调试：首先利用GX Works2 编写自动存入的PLC 程序，再通过物联网模块将程序远程写入PLC 控制器；接着在手机端利用云平台开始测试。

自动取出系统调试：完成自动存入系统调试之后，修改程序并将新的程序另存为自动取出程序，通过物联网模块将程序远程写入PLC 控制器。

在调试完各个子系统后，将完整的PLC 控制程序通过物联网模块远程传输功能写入三菱PLC 再进行实际测试。

6 结语

智能家居的快速发展，在日常生活中为人们节约了很多时间。其中物联网自动存取鞋柜的出现，进一步提高了人们的生活质量。本文所设计研发的物联网自动存取鞋柜在当前市场上未有相似产品，不仅拥有传统鞋柜的储存功能，还能实现自动存取，填补了智能家居市场上的一个空白。虽然目前成本控制与产品设计方案并不完善，但是在便捷性方面已经能满足人们的需求。本设计采用物联网作为传输媒介实现自动存取是追逐时代潮流、引领新型技术发展的体现，对社会进步和发展有着深远意义。