随着生活水平的提升，人们追求高品质的家庭生活空间，实现智能化家居互联网络构建的需求显得尤为突出，本着让生活更安全、更便利，为用户的个性化需求带来满足感。在此背景下，智能衣柜逐渐出现在了人们眼前。

智能衣柜不仅具备传统衣柜的存放以及装饰功能，同时设计有众多智慧功能，例如智能衣物升降、智能灭菌除湿、便捷蒸汽除皱等。是一种融入现代化、数字化等技术为一体的设计理念，同时“智慧控制”这一因素的添入为其带来了更加人性化、智能化的设定。通过对智能衣柜的结构及其功能实现原理的研究，设计出一款智能衣柜，满足用户需求，顺应未来发展方向，构建智享生活。

团队秉承“Techapplication应用科技”的经营理念，努力将高科技实用化，满足大众需求。公司目前拥有的“YUNHAI”—智能衣柜相关技术由本团队自主研究开发，拥有完全的知识产权并已授权专利保护。

二、国内外研究现状综述

随着技术的进步，智能化家居的应用越来越广泛，各类智能家居产品相继被研发出来，行业覆盖面不断拓展，并激发出了巨大的市场空间。

如今国内外也存在较多关于智能衣柜的研究，这些研究通过物联网、嵌入式、传感器、深度学习、自动控制等技术实现了相关功能，但也同时存在着成本高昂、操作繁琐、结构复杂、安全性欠佳，等问题，且产品功能单一、实用性不强，所以不管是对企业还是对产品研究来说，总是会出现一些不尽人意的问题需要去重视和改善。

通过开展相关研究与探索，将在理论上推进智能化技术在智能衣柜领域的纵深，对未来发展能够做出初步的探索与实践，为同类产品的设计与开发提供一定的理论依据并实现。

三、研究背景与目的

自2019年我们就开始着手市场调研，回收问卷近五百份，从中分析了市场与用户需求。同年下半年寻访了多个公司，开展了四个多月的实习。回校后，开始着手设计方案，到今年四月份实现了相关技术的突破，也创造了诸多有代表性的成果。

我们发现随着生活水平的提升，人们追求高品质的家庭生活空间的需求显得尤为突出，智能衣柜行业覆盖面不断拓展，激发出了巨大的市场空间。

依据市场调研数据结果，目前市面上的产品，在日常使用过程中存在着一定的不足之处：

（1）结构空间大。衣柜占用室内空间大，并且制作完成后内部空间使用不充分。

（2）内部环境阴暗潮湿。对于南方雨水潮湿较大的地区，衣柜湿气重，霉菌猖獗，衣服放置时间长，容易出现霉变虫蛀等现象。当室内光线较暗的情况下，人们去拿衣服，此时灯光会容易被挡住，以至于柜内漆黑，取衣不方便。            

（3）操作性不强。对于老幼人员，某些衣柜的柜门较重，滑动较不方便。取衣柜上层的物品时，由于高度较高，存在一定安全隐患。

（4）保护性欠缺。对于一些隐私物品或贵重物品传统衣柜很难人性化地做到。

（5）衣物皱褶消除麻烦。衣服在经过每日的穿着使用后，必定会出现部分皱褶，一般都是取出衣物通过熨斗来进行除皱，比较麻烦。

基于上述问题，在传统的家居设计理论基础上引入现代高新技术，开展家居智能化的研究。此研究不仅丰富了家居设计领域的理论，对学科知识的增进与完善也有着积极的作用，为之后智能家居领域的发展奠定了一定的基础。

四、作品设计方案

（一）整体结构设计

智能衣柜的系统结构设计决定着智能衣柜整个研究工作的成败及研究水平的高低，其核心是功能与结构的合理、性能与效果的协调统一，以此引导出智能衣柜的设计思想、研究方法、功能原理、结构特点、设计技巧等的全新创新想法。总体设计（如图2）由五大系统组成，分别为智能通风系统、柜门控制系统、蒸汽除皱系统、衣物升降系统、智能防护系统，整体系统符合高效、实用、低功耗的设计。

（二）传动结构设计

升降系统整体采用滑动式升降结构，在智能衣柜的左上角与右上角都装有内滑动柜，柜内为衣物升降系统的驱动装置（如图3），驱动装置由减速箱、电机、转动轴、齿条、电机挂架、导轨等组成。相比于传统升降系统，本系统采用PID控制算法，稳态误差小、响应时间短，反馈线路优化程度高。且占用空间更小，使用方便。

电机装于电机挂架上，电机挂架通过套管连接挂衣杆，固定导轨起到限制机构空间移动方向，以及稳定整个机构的作用。利用齿轮与固定齿条的啮合，由伺服电机转动后，输出轴端的齿轮便沿固定齿条相对运动，从而带动着挂衣杆沿导轨滑动。

一般情况下柜内上顶部空间由于高度较高，很难充分利用起来，此设计充分利用到柜内高处空间，以节省横向空间。系统开始工作后，首先进入初始化状态，再由系统控制两侧电机共同驱动齿轮转动，齿轮转动过程中，便会沿着与之啮合的固定齿条移动，通过电机挂架带动与其相连接地挂衣杆沿斜槽滑动。挂衣杆进行上下滑动，从而达到衣物升降的目的。

自动开合柜门机构使用齿轮齿条传动机构（如图4），对于柜门闭合这类长行程而言，齿轮齿条是一种非常合适的传动方案。电机控制器部分与触控屏之间通过无线局域网建立通信。传感器部分主要采用限位传感器、红外传感器。限位传感器安装在衣柜框架上，防止柜门移动距离过度。红外传感装置由信号发射器与信号接收器组成，分别安装在柜门两侧，共同构成安全防夹手保护装置，在柜门开启的过程中，红外收发单元始终处于高频扫描状态，当有人或者物体进入到扫描区域内时，会立刻中断电机，有效保障使用安全。

当用户点击柜门开关后，通过触控屏部分发送出相关指令，传送到电机控制器上，控制器对信号进行转换处理后，控制步进电机完成设定的转动任务。通过伺服电机带动齿轮做回转运动，安装在柜门上的齿条便会跟随齿轮作出相应的直线平移运动，从而达到柜门开合的控制效果。并且柜门底部安装有缓冲拨片进行降噪，不会影响到用户的日常作息。

（三）系统功能设计

（1）智慧控制助手

柜门上装有智慧触控屏，利用物联设备整合到触控屏装置中，进而实现更智能，丰富的功能。通过家庭局域网连接其他智能设备与手机APP，构建家居互联网络，实现手机APP远程控制智能衣柜。触控屏上可实现各种信息画面展示与触摸控制功能，如控制柜门开合、查询天气情况等。其通过蓝牙连接的方式，来控制衣柜的其他各项功能模块，与其他系统部分进行蓝牙连接，实现了一种应用方便的无线控制技术，减少了传统设计内部繁琐的电路走线。

（2）动态感应照明

衣柜内装有红外感应照明灯，置于衣柜内顶部，功耗低，只需安装电池即可使用，照明感应灯内置感应开关，在室内光线不足的情况下，开门即亮，这便于使用者选取衣物，同时也能起到很好的装饰效果，令人眼前一亮。感应照明灯的设计主要由光学系统、红外传感、信号滤波与放大、信号处理、执行电路等组成。

工作流程为：通过传感器采集人体产生的10微米波长红外线，再对信号进行过滤、放大处理后，经后续电路检测后产生控制信号，进而触发感应器的开关，进行“感应”工作。

主要特点是：通过红外传感器可检测到人体红外热释放光谱的微小变化，当用户进入红外感应范围后，感应开关迅速闭合，接通照明电路。当用户不离开且在活动，开关便会处于持续导通状态；当用户离开后，感应开关延时数秒再自动关闭。符合人性化的设计，实现开门感应照明，开门即亮，关门即熄。且控制电路中串联了光敏控制，自动检测光强。当光线强度高于设定值时，控制电路始终不导通，感应灯不感应，有效节能。

（3）紫外灭菌消毒

衣柜设计有紫外灭菌功能，疫情期间为衣物消毒，利用紫外线灭菌，防止霉变虫蛀，保持衣物光洁。装置采用LED紫外灭菌灯，与控制系统通过蓝牙连接，远程控制开关。杀菌灯内部使用的高效率紫外线发生装置，其产生的强紫外线照射范围广、强度高。当衣物上的细菌、螨虫等受到一定程度的强紫外线照射之后，其细胞内部结构将会受到严重破坏，细胞再生将无法继续。

主要特点是：由于LED灯源采用低压供电，所以仅需装配电池即可正常工作。相比传统灭菌灯，LED紫外灭菌灯具有功耗低、体积小、寿命长的特点。

相比于传统的臭氧灭菌装置，采用紫外线灭菌，无色无味无残留。且紫外线灭菌灯对细菌（包括霉菌）、螨虫，都具有显著的杀灭效果。

（4）智能除湿通风

除湿通风设计尤为重要，在潮湿多雨天，再好的板材质量，也不如强效抽湿装置，而在这个过程中，湿度控制的输入与输出是一个非线性变化，需要提高控制的准确性，我们选用模糊PID自整定控制算法，能够较理想的控制湿度到达设定值。柜顶部分装有通风设备，柜内同时装有湿度调节模块，主要由检测电路与干燥器组成，采用单片机控制方案，此装置能够给予衣物一个最佳的储存环境，促进柜内空气流动，有效去除柜内湿气与异味。

设计在原来 PID控制中融入控制偏差表示为:

上式中:e(t)为衣柜系统设定温湿度值与实际控制温湿度 输出值的差值,控制系统输出值u(t)为 PID 控制系统微积分因子k 与输入偏差值大小乘积之和，其中比例因子kp偏差值为e(t),积分因子ki偏差值为对e(t)求和,微分因子kd偏差为控制偏差变化e(t)-e(t-1)。在PID控制理论中融入模糊控制算法,建立起 PID控制系统微积分因子k与输入偏差值e(t)、输入偏差变化量e(t)-e(t-1)的关系:

把上述式子代入（1）式中即可以得出控制系统输出值与控制偏差值之间的关系。由此,就可以建立模糊推理和PID控制的联系,设计加入模糊推理的PID控制器原理如图6所示。

衣柜内的温湿度不断通过加入模糊推理的PID 控制算法进行优化,建立基于控制偏差e(t)和控制偏差变化率e(t)-e(t-1)的微积分因子kp、ki、kd 模糊控制规则, 建立7个等级的控制因子,分别为[-4,-2,-1,0,1,2, 4],根据实际情况,建立|e(t)|、|e(t)-e(t-1)|相关联的控制规则。

系统设定有一个最适湿度，当湿度小幅度偏离设定范围值时，通过信号反馈，单片机控制湿度调节模块开始工作,及时调节湿度回到正常范围。根据测试数据生成控制变化曲线可看出,在实验开始阶段衣柜内外的湿度值基本保持不变，而系统启动阶段湿度前期下降都较为明显，湿度在150min时接近目标湿度值 45.5%RH；对比湿度在目标值稳定后的表现可知, 湿度在达到目标值之后都有所振荡,振幅在±3%以内,在系统误差可承受的范围之内,该设备的湿度控制测试效果良好。

左侧为排出式风扇，右侧为吸入式风扇，由电动机带动叶片旋转，推动空气流通。吸入式风扇通过气扇吸入外部新鲜空气，排出式风扇通过气扇排出柜内浑浊空气，两设备共同运作在柜内构成了空气循环系统，满足风量分配需求，起到通风换气、促进空气流动的作用。

（5）智能防护系统

智能衣柜内部设有两个指纹密码柜，采用指纹加密码的解锁方式，即意外导致的指纹解锁失败后，也可通过输入密码进行解锁。通常柜内除了存放日常衣物外，可能还需要存放一些贵重或隐私物品，设计指纹密码解锁，安全便捷，一触即开，成为衣柜独一无二的守护者。

独立密码解锁柜，主要采用以单片机为核心的控制方案，该系统设计（如图9）中包括有指纹采集、指纹匹配、键盘显示、密码匹配、液晶显示、错误报警等，当指纹采集结果与导入数据匹配成功或者密码输入正确后，开锁电路导通。若指纹模板与导入数据不符，则弹出键盘密码输入，若密码再多次输入错误，则报警电路导通，后通过WiFi模块发送信息到达用户手机，及时提醒用户注意情况。

（6）智能蒸汽除皱

衣柜右端部分设有蒸汽除皱柜（如图10），主要由抖动式挂衣杆、多缝隙加速隔板、蒸汽水箱、PTC陶瓷发热片等组成。衣服在经过每日的穿着使用后，会出现部分皱褶，传统式的手动熨斗除皱，比较麻烦。将衣物除皱功能整合到衣柜中，在衣柜内实现自动化蒸汽除皱。用户仅需提前设定好除皱工作时间，真正做到解放双手，高效实用。

整个隔间使用特殊抗压钢材制成，底部蒸汽水箱中阵列安装有PTC陶瓷发热片，上层再由多缝隙加速隔板与最上层挂衣间隔开。经过发热片的加热处理之后，水蒸气和受热空气混合，通过鼓风机使其经过多缝隙隔板上的出气孔，高速冲入上层挂衣间。挂衣杆可左右抖动，将需要除皱处理的衣物置于出风口上方的挂衣杆上，在高温混合气体冲击与挂衣杆持续抖动的配合作用下，快速地对有皱褶的衣物面进行平整化的处理，达到给衣物除皱护形的效果。