基于傳感技術(shù)的體驗式室內(nèi)溫濕調(diào)控助手設(shè)計

徐曉艷 張寒凝 （江南大學(xué) 214122）

基于傳感技術(shù)的體驗式室內(nèi)溫濕調(diào)控助手設(shè)計

徐曉艷 張寒凝 （江南大學(xué) 214122）

文中通過嚴謹?shù)募夹g(shù)原理和體驗式設(shè)計的方法，詳細描述了產(chǎn)品所涉及到的技術(shù)手段和實現(xiàn)過程，將對人的五官感受的深入研究，加入到產(chǎn)品設(shè)計中去，從而確保產(chǎn)品能夠和用戶盡行充分地互動，在真正意義上實現(xiàn)體驗式的產(chǎn)品設(shè)計。

產(chǎn)品設(shè)計；傳感技術(shù)；體驗設(shè)計；溫濕調(diào)控

21世紀，傳感技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，作為人們感官的延伸，各類傳感器的研究和開發(fā)得到了社會的廣泛關(guān)注1。集成化智能傳感器將硬件與軟件結(jié)合，能夠完成檢測、判斷和信息處理等多種任務(wù)2，而將智能傳感技術(shù)應(yīng)用于家用產(chǎn)品、提升用戶體驗水平已經(jīng)成為未來產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢。目前，很多學(xué)者在產(chǎn)品的體驗式設(shè)計方面展開了研究，魏偉舉例分析了產(chǎn)品體驗設(shè)計中的情感化策略3、牟峰通過分類體驗設(shè)計將用戶體驗進行細化研究4、陳為以手機為例詳細分析了用戶體驗設(shè)計的6個要素5，李世國通過結(jié)合現(xiàn)有的手機APP創(chuàng)新性地提出了“自我反饋”形式的體驗設(shè)計6等，但上述研究沒有涉及將智能傳感技術(shù)與體驗式設(shè)計的有效結(jié)合，這在一定程度上限制了智能產(chǎn)品體驗水平的提升。針對這一點，文中結(jié)合傳感技術(shù)與體驗式產(chǎn)品設(shè)計方法，通過實例討論了室內(nèi)溫濕調(diào)控助手的設(shè)計研究過程，為傳感技術(shù)應(yīng)用與體驗式產(chǎn)品設(shè)計的交叉領(lǐng)域的研究開拓了新思路。

一、產(chǎn)品技術(shù)原理與體驗設(shè)計的方法

（一）產(chǎn)品技術(shù)原理

室內(nèi)溫濕調(diào)控助手主要采用溫濕傳感器、傾角傳感器和舵機作為傳感與驅(qū)動元件進行工作，其中溫濕傳感器是采用基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的單片集成溫度和濕度測量的微型傳感器7。如圖1所示，以瑞士Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11為例，其已被廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。傳感器芯片工作時，兩個敏感元件分別將空氣的濕度和溫度信息轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進入信號放大器進行放大，然后進入一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。室內(nèi)溫濕調(diào)控助手可以根據(jù)溫濕傳感器的測量信息實時驅(qū)動舵機運動，進而體現(xiàn)室內(nèi)空氣的舒適程度感受意向。

圖1 溫濕傳感芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

傾角傳感器實際上是運用慣性原理的一種加速度傳感器，其工作原理是通過實時測量加速度計算出傾斜角度，基于MEMS技術(shù)的傾角傳感器因使用壽命長、制造成本低、可靠性高等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。其中諧振式加速度傳感器由支撐梁、質(zhì)量塊、杠桿機構(gòu)、諧振器、激振單元、拾振單元組成。當(dāng)它開始工作時，質(zhì)量塊將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力，慣性力經(jīng)過杠桿機構(gòu)放大后作用于諧振器的軸向，引起諧振器的諧振頻率發(fā)生變化，由測得的諧振頻率推算出被測加速度。

室內(nèi)溫濕調(diào)控助手中應(yīng)用到的舵機是一種角度伺服驅(qū)動器，它通過接收一種特定的脈沖信號激發(fā)出與之相應(yīng)的中位脈沖，兩個脈沖在一個加法器中進行相加得到了所謂的差值脈沖，此差值脈沖放大后就是驅(qū)動舵機正反轉(zhuǎn)動的動力信號。

在舵機運作時，控制電路板根據(jù)接收到的控制輸入信號來控制電機轉(zhuǎn)動，電機通過帶動齒輪組轉(zhuǎn)動并減速后傳動至輸出傳動軸，傳動軸上的光電編碼傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測軸轉(zhuǎn)過的角度并輸出一個電壓信號到控制電路板進行反饋，最后控制電路板通過對比輸入角度與監(jiān)測角度來控制電機下一步的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而精確控制轉(zhuǎn)動軸的停止位置。

（二）體驗式設(shè)計的方法

如圖2所示，體驗式設(shè)計內(nèi)容主要包括“感官”體驗設(shè)計、“情感”體驗設(shè)計、“思考”體驗設(shè)計、“行動”體驗設(shè)計和“關(guān)聯(lián)”體驗設(shè)計5種類型，這5種體驗之間有著錯綜復(fù)雜的影響關(guān)系，用戶的最終體驗是這5種體驗設(shè)計相互作用并對產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生影響的結(jié)果。因此，室內(nèi)溫濕調(diào)控助手要提升用戶體驗，必須綜合考慮這5個方面的體驗設(shè)計因素。在感官體驗設(shè)計中，要重點運用對溫度和濕度的感覺達到創(chuàng)造知覺體驗的訴求目標(biāo)；在行為體驗設(shè)計中，要增加使用者的身體體驗，將溫濕調(diào)控的操作賦予實際意義，形成人機之間的互動；在情感體驗設(shè)計中，以某種方式激發(fā)使用者的內(nèi)在情緒，形成情感上的共鳴；在關(guān)聯(lián)體驗設(shè)計中，將溫濕調(diào)控與生活其他方面相關(guān)聯(lián)，使產(chǎn)品的存在自然而不突兀；在思考體驗設(shè)計中，以創(chuàng)意的方式解決溫濕調(diào)控問題，引起用戶的驚喜和興趣，為用戶創(chuàng)造解決問題的體驗。

圖2 用戶體驗體系

二、溫濕調(diào)控助手的技術(shù)實現(xiàn)流程

溫濕調(diào)控助手由溫濕感應(yīng)器和加濕器兩部分構(gòu)成，主要運用到的技術(shù)手段是溫濕傳感器、傾角傳感器和舵機驅(qū)動器三種，溫濕傳感器和傾角傳感器分別運用在溫濕感應(yīng)器和加濕器中，而舵機則參與了兩部分運作過程。如圖3所示，溫濕感應(yīng)器的外部結(jié)構(gòu)主要有轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)動外殼、底座外殼和電機及電機固定結(jié)構(gòu)等，電機固定結(jié)構(gòu)被安裝在底座的外殼中，當(dāng)溫濕感應(yīng)器工作時，電機工作帶動轉(zhuǎn)動外殼順著固定軸上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌螺旋式上升或下降，轉(zhuǎn)動外殼與固定軸的刻度相交處為當(dāng)時室內(nèi)空氣溫濕度狀況。

圖3 溫濕感應(yīng)器的外部結(jié)構(gòu)示意圖

溫濕感應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由溫濕感應(yīng)模塊、單片機、電機驅(qū)動模塊和舵機四部分組成，溫濕感應(yīng)模塊感應(yīng)到室內(nèi)溫濕度的變化并將信息傳送到單片機中，單片機將信號寄存和轉(zhuǎn)換后發(fā)出指令，使電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電運轉(zhuǎn)。

加濕器的技術(shù)原理要運用到傾角傳感器和舵機。如4所示的是加濕器的結(jié)構(gòu)，主要包括加濕器上殼和底座兩部分，為便于拆卸清理及組裝，上殼和底座間用旋轉(zhuǎn)固定快拆結(jié)構(gòu)連接，方便快捷。加濕器頂部漏斗狀的部件直接延伸到加濕器內(nèi)部的水槽中，用戶直接從頂部進行加水。除水槽外的空間則安裝有傾角傳感器和舵機，加濕器的轉(zhuǎn)動引起傾角傳感器的感應(yīng)，發(fā)送信號使舵機開始運轉(zhuǎn)，舵機驅(qū)動水槽中霧化器將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，此時加濕器開始工作。

圖4 加濕器的內(nèi)部構(gòu)件

三、溫濕調(diào)控助手的體驗式設(shè)計

室內(nèi)溫濕調(diào)控助手包括加濕器和溫濕感應(yīng)器兩部分，通過5種體驗式設(shè)計的方法將兩者的工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使整個使用過程充滿體驗式的樂趣。在溫濕調(diào)控助手的感官體驗設(shè)計中，運用用戶最直接的視覺和觸覺為用戶創(chuàng)造使用體驗。加濕器的設(shè)計從外觀上來看非常小巧便攜，適應(yīng)人手拿的大小且與溫濕感應(yīng)器的造型相呼應(yīng)，協(xié)調(diào)統(tǒng)一；底座部分的角度設(shè)計讓用戶能夠通過變換傾角來改變加濕器的工作狀態(tài)，使加濕器的傾斜開關(guān)設(shè)計能夠連續(xù)工作，產(chǎn)生的水蒸氣也能夠為用戶帶來觸覺上的享受。

在行為體驗設(shè)計的部分，用傾斜開關(guān)設(shè)計代替了傳統(tǒng)的按鈕式開關(guān)，用戶將其傾斜一定角度后加濕器便開始工作，放平穩(wěn)后自動關(guān)閉，這個過程為用戶提供了不同的操作體驗，簡單而有趣。但加濕器底部的角度設(shè)計也引發(fā)對產(chǎn)品穩(wěn)定性的考慮，通過對加濕器內(nèi)部配重的設(shè)計，使加濕器在直立無水、直立有水和傾斜無水、傾斜有水這四種情況下都能夠保持穩(wěn)定，可見內(nèi)部配重恰當(dāng)，能夠保證加濕器的正常工作。

就像人在較適宜的空氣環(huán)境中心情會隨之舒暢，在不適宜的環(huán)境中就會覺得煩躁一樣，溫濕感應(yīng)器對室內(nèi)不同空氣狀況的反應(yīng)也是隨之變化的，這種基于情感體驗設(shè)計的方法能夠激發(fā)用戶的感官體驗，并與之形成共鳴。溫濕感應(yīng)器在感應(yīng)到室內(nèi)溫室變化后連在外殼上的鋼絲會因轉(zhuǎn)動形成不同的形狀，如圖5所示，當(dāng)室內(nèi)高溫且干燥時，從頂部看，鋼絲呈順時針小幅度擴張；當(dāng)室內(nèi)空氣較為適宜時，鋼絲則大幅度張開；當(dāng)室內(nèi)空氣低溫且潮濕時，鋼絲呈逆時針較大幅度擴張。這種方式能夠?qū)⑹覂?nèi)空氣的溫濕狀況更加直觀地展現(xiàn)出來，相較于直觀的溫濕度數(shù)值更能讓用戶產(chǎn)生興趣，使用戶在使用過程中感受到體驗式的樂趣。

圖5 溫濕感應(yīng)器對溫濕度狀況的反饋

如圖6所示是基于關(guān)聯(lián)體驗設(shè)計方法的溫濕調(diào)控助手的交互模型樣本，植物枯萎需要澆水，空氣干燥則需要加濕，加濕器在溫濕感應(yīng)器的提示下為空氣加濕，溫濕感應(yīng)器隨之對經(jīng)加濕的空氣做出感應(yīng)和反饋，這種交互的過程是受到了“為植物澆水”這一生活細節(jié)的啟發(fā)，兩者間的關(guān)聯(lián)能夠讓用戶在使用溫濕調(diào)控助手時感到熟悉和親切，為用戶創(chuàng)造了獨特的使用體驗。

圖6 溫濕調(diào)控助手的交互模型樣本

思考體驗設(shè)計的方法要求以創(chuàng)意的方式引起顧客的驚喜和興趣，，對問題的集中和分散的思考，為顧客創(chuàng)造認知和解決問題的體驗。與常用的數(shù)字屏幕顯示溫濕度等方式不同，溫濕調(diào)控助手將溫度和濕度的刻度讀取方式設(shè)計成兩者相交讀取數(shù)值。溫濕感應(yīng)器在感應(yīng)到室內(nèi)溫度和濕度的變化后，通過外殼順著固定軸上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌和螺旋式上升或下降，使外殼和固定軸上的刻度相交成特定的數(shù)值，同時連在外殼上的鋼絲因轉(zhuǎn)動形成不同的形狀來表現(xiàn)不同的空氣狀況，這種方式雖然將直觀的讀取方式取而代之，但卻能夠很好地引發(fā)用戶的思考和探究正確使用方式的興趣，為用戶增加使用體驗，吸引用戶再次使用。

四、室內(nèi)溫濕調(diào)控助手的使用實驗

在室內(nèi)溫濕調(diào)控助手的使用實驗中，分別對加濕器和溫濕感應(yīng)器的使用及整體使用進行檢測。如圖7所示是針對加濕器傾斜式開關(guān)的使用實驗，從圖中可以看出加濕器小巧精致且便于手拿，在處于水平狀態(tài)時加濕器不工作，當(dāng)傾斜一定角度時加濕器開始工作，加濕器明銳度較高，整個過程十分流暢。從使用體驗方面來講，用戶可以從加濕器頂部的漏斗口直接往加濕器中注水十分方便，傾斜式開關(guān)的有趣的使用方式也為用戶提供了獨特的使用體驗。

圖7 加濕器傾斜式開關(guān)的使用實驗

溫濕感應(yīng)器主要負責(zé)對室內(nèi)溫濕度的監(jiān)控工作，如圖8所示是對溫濕感應(yīng)器的溫濕感應(yīng)情況的檢測，從圖中可以看出，溫濕感應(yīng)器能根據(jù)不同的室內(nèi)溫濕情況表現(xiàn)出不同狀態(tài)，連接在轉(zhuǎn)動外殼上的鋼絲隨著外殼的旋轉(zhuǎn)上升和下降呈現(xiàn)不同的形狀，高溫干燥時旋轉(zhuǎn)收攏，較適宜時疏松擴張，低溫潮濕時則會反向旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)動外殼和固定軸相交所得的刻度為當(dāng)時室內(nèi)溫濕情況。

圖8 溫濕調(diào)控助手整體工作過程的使用實驗

整個過程為：溫濕感應(yīng)器監(jiān)控到室內(nèi)空氣干燥，此時鋼絲收起，加濕器為其加濕后鋼絲打開。溫濕感應(yīng)器和加濕器兩者間相互協(xié)調(diào)，共同完成了對室內(nèi)空氣的監(jiān)測和調(diào)控，使用方法方便巧妙，使用過程舒適流暢。

五、結(jié)論

在室內(nèi)溫濕調(diào)控助手的整個工作流程中，溫濕傳感器能夠使溫濕感應(yīng)器精確地捕捉到室內(nèi)溫濕度的變化情況，傾角傳感器為加濕器獨特的傾斜式開關(guān)設(shè)計提供了技術(shù)支持，而舵機則負責(zé)驅(qū)動產(chǎn)品整體正常運作。在體驗式設(shè)計原則的指導(dǎo)下，室內(nèi)溫濕調(diào)控助手的設(shè)計更加注重產(chǎn)品和人的互動，也能夠更直觀地將信息反饋給用戶。

傳感技術(shù)的應(yīng)用為室內(nèi)溫濕調(diào)控助手提供了更高效的解決方案，體驗式設(shè)計的原則也為用戶帶來了更愉悅的使用感受。隨著傳感技術(shù)的高速發(fā)展，室內(nèi)溫濕調(diào)控助手將充分調(diào)動用戶的五感體驗，協(xié)同產(chǎn)品與用戶間的互動，聯(lián)動智能技術(shù)服務(wù)，設(shè)計出智能傳感技術(shù)與體驗式設(shè)計有效結(jié)合的產(chǎn)品。

注釋：

1.葛運建，張建軍，戈瑜，吳仲城，高理富.無所不在的傳感與機器人感知[J].自動化學(xué)報，2002，28（S1）：125-133.

2.陸遙.傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].監(jiān)控技術(shù)，2009，9：273-274.

3.魏偉.產(chǎn)品體驗設(shè)計中的情感化策略[J].大眾文藝，2014，11：92-93.

4.牟峰，褚俊潔.基于用戶體驗體系的產(chǎn)品設(shè)計研究[J].包裝工程，2008，29（3）：142-143.

5.陳為.用戶體驗設(shè)計要素及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[J].包裝工程，2011，32（10）：26-39.

6.李世國、程玖平、張玕.“反饋自我”形式的體驗設(shè)計與價值[J].包裝工程，2014，35（8）：52-60.

7.方震，趙湛，武宇，陳超，張博軍.基于 MEMS 技術(shù)的溫濕傳感器模擬和設(shè)計[J].監(jiān)控技術(shù)，2004，23（3）：10-14.