張 杰, 徐兆軍, 那 斌, 尚征帆, 倪申健, 陸榮鑑

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引 言

傳統(tǒng)智能家居常以控制中心來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)家電的調(diào)節(jié),忽略了室內(nèi)地面的智能化。地板是一種較為普遍的室內(nèi)裝飾材料,應(yīng)當(dāng)將其納入到智能家居的領(lǐng)域內(nèi)。目前,國內(nèi)對于地板的研究多集中在自發(fā)熱[1]、表面舒適度[2]、防甲醛等功能[3,4]。盡管這些研究有助于使地板變得更加環(huán)保、更加親膚舒適,但未能促使地板具備初步的智能化特征。國外的地板智能化進(jìn)程相較于國內(nèi)而言稍早一步。德國波茨坦普拉特拉學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種高分辨率智能壓感地板,該地板能夠?qū)Φ匕迳戏饺嘶蛭锏淖藙荨⑦\(yùn)動和碰撞進(jìn)行追蹤,可應(yīng)用于家庭安全和自動化,以及互動游戲等領(lǐng)域[5]。Braun A等人研發(fā)出一種類似手機(jī)觸屏技術(shù)的電容地板[6]。盡管國外對于地板智能化進(jìn)展相對較為前瞻,所研發(fā)出的智能化地板功能多樣,其成本高,安裝復(fù)雜,后期維護(hù)困難等情況阻礙了推廣。

1 原理與硬件設(shè)計(jì)

智能家居就是使室內(nèi)的家電櫥柜具備一定程度的智能化水平。本文設(shè)計(jì)的實(shí)用性技術(shù)成果由兩個部分組成,其一為成員組件,為內(nèi)部嵌有ARM控制的地板總稱,用于將地板整合為一體;其二為控制組件,用于控制、響應(yīng)成員組件。

1.1 成員組件設(shè)計(jì)

成員組件所實(shí)現(xiàn)的功能如圖1所示,通過將NRF2401近距離無線傳感器嵌入地板內(nèi)部將室內(nèi)地面整合成一體,根據(jù)室內(nèi)布局的差異性,選擇安裝與之適配的功能性組件,使其物盡其用,各顯神通。

圖1 成員組件功能示意

1.1.1 地板外觀設(shè)計(jì)

常見的多層實(shí)木地板由表層、芯層和底層組成,將地板底層和芯層掏出合適的形狀放置傳感器控制電路,開槽后的地板如圖2所示。圖中四個圓形凹槽用于放置壓力傳感器,中間矩形凹槽用于核心控制板的安裝。

圖2 地板外觀設(shè)計(jì)

1.1.2 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

將鋪設(shè)在地面的各個地板有機(jī)地銜接為一體是組網(wǎng)設(shè)計(jì)的核心。本文采用NRF2401近距離無線傳感器進(jìn)行地板之間的相互連接,NRF2401通信模塊使用模塊化思想,一方面可以減少芯片外圍電路設(shè)計(jì)失誤,另一方面便于和單片機(jī)連接,圖3為NRF2401與單片機(jī)采用SPI連接引腳示意圖。

圖3 NRF2401與單片機(jī)連接示意

預(yù)先將代表各塊地板的ID字符通過軟件燒錄器寫入地板內(nèi)部的單片機(jī)中,已編碼的地板示意如圖4所示。

圖4 地板編碼

1.2 控制組件設(shè)計(jì)

控制組件不僅用于接收成員組件向上響應(yīng)的信息,還是人機(jī)交互的主要承擔(dān)部分。因此主要包含以下兩個功能元件:1)NRF2401用于接收成員組件信息;2)以太網(wǎng)絡(luò)用于連接互聯(lián)網(wǎng)。另外還包括顯示器和報(bào)警器等。

2 軟件設(shè)計(jì)

成員組件的程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 成員組件軟件設(shè)計(jì)流程

控制組件需要完成以下三件事:1)預(yù)存來自成員組件的ID編號;2)接收來自成員組件傳感器信息;3)判斷接收到的信息并作出相應(yīng)動作。其邏輯如圖6所示。

圖6 控制組件軟件設(shè)計(jì)流程

3 應(yīng)用場景概述

可將地板作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的載體。每塊地板背部都布置有壓力傳感器與無線模塊且擁有獨(dú)立的編號ID,地板在室內(nèi)地面有序鋪設(shè)從而完成地理信息組網(wǎng)。當(dāng)?shù)匕甯惺艿綁毫π盘枙r可通過無線模塊將當(dāng)前受壓地板的編號發(fā)送至控制組件,控制組件根據(jù)編號可對當(dāng)前受壓位置進(jìn)行定位。

1)導(dǎo)航:基于上述地理信息系統(tǒng)可提供室內(nèi)地理坐標(biāo)信息,為家庭服務(wù)機(jī)器人或者掃地機(jī)器人提供路徑導(dǎo)航服務(wù)?；诒疚乃O(shè)計(jì)的多功能地板,這種導(dǎo)航方式只需通過軟件更新便可實(shí)現(xiàn)。用于室內(nèi)掃地機(jī)器人,理論上可有效避免與家具的碰撞;用于餐廳傳菜機(jī)器人可增加其行走的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2)安防報(bào)警:通過壓力傳感器可以為家庭提供安防服務(wù)。傳統(tǒng)的家庭安防是通過監(jiān)控?cái)z像頭或激光對射傳感器來實(shí)現(xiàn),雖然能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)控,但也容易留有監(jiān)控死角被盜竊分子利用。本文所述的報(bào)警功能是在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,監(jiān)控范圍可以涵蓋房間的全部出入口乃至全屋,無任何監(jiān)控死角。夜晚或無人在家時啟動入侵報(bào)警功能,當(dāng)系統(tǒng)檢測到指定區(qū)域有意外壓力信號時則認(rèn)為有人非法入侵,系統(tǒng)隨機(jī)打開警報(bào)器發(fā)出燈光與聲音震懾入侵者,與此同時系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

3)感應(yīng)照明:壓力傳感器對外可用于防盜,對內(nèi)可用于諸如踢腳線燈的感應(yīng)和樓梯燈光效應(yīng)的開關(guān)。結(jié)合板載的光感傳感器,可對晚上/白天進(jìn)行識別,減少不必要情況下的誤觸發(fā)。

4)溫度控制:可用于地暖的溫度控制系統(tǒng)。通過分布在各個房間的多功能地板上板載的溫度傳感器,可以實(shí)時監(jiān)測地暖的供暖狀況,節(jié)省家庭用電。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的多功能地板是嵌入式在林產(chǎn)工業(yè)中的應(yīng)用,集成多種功能,主打室內(nèi)定位,可初步滿足智能家居的應(yīng)用場景,并擴(kuò)展了地板的應(yīng)用價值。目前人口老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,室內(nèi)家具的智能化發(fā)展需要投入更多精力從而為老年人提供便捷,結(jié)合當(dāng)前地墻一體化發(fā)展趨勢,能使地板更加多樣性,進(jìn)一步將這種設(shè)計(jì)方法運(yùn)用到其他家具中使其更加個性化。