基于3D打印與單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

秦若洲　楊理哲　馬云吉

摘 要：在傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)模式下，創(chuàng)新產(chǎn)品從想法到樣品實(shí)體的過程中，往往需要用很大開銷來給樣品開模。而使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)樣品，可以節(jié)省大量的開模成本，大幅提高設(shè)計(jì)容錯(cuò)率。與傳統(tǒng)的只在理論上計(jì)算樣品的各方面數(shù)據(jù)相比，3D打印出來的模型可以更直觀的給設(shè)計(jì)師提供參考，更有利于新產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)。智能家居從設(shè)計(jì)到樣品，需要大量的實(shí)際市場測試來完善與升級，重新開模成本太高、周期太長，而3D打印技術(shù)可以低成本快速的做出樣機(jī)并投入市場進(jìn)行測試。

關(guān)鍵詞：3D打印 PWM 舵機(jī) 智能家居

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0087-02

在新產(chǎn)品樣品試用階段，即使市場部反饋的用戶需求發(fā)生調(diào)整，要放棄、修改、增加部分功能，對于傳統(tǒng)開模產(chǎn)品來說是需要重新設(shè)計(jì)，重新開模，重新生產(chǎn)的。而3D打印的樣品只需要更改數(shù)字模型，然后重新打印對應(yīng)部件即可，可以節(jié)省大量開銷。而像智能家居這種高度模塊化的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)上也非常受傳統(tǒng)創(chuàng)新模式的資金限制與影響，導(dǎo)致創(chuàng)新發(fā)展受到局限。

3D打印技術(shù)在創(chuàng)新產(chǎn)品的過程中成本非常低，像智能家居這種需要在市場的需求改變中快速迭代的產(chǎn)品，跟傳統(tǒng)技術(shù)比起來有著絕佳的優(yōu)勢。對需求的變化極度敏感、需要應(yīng)對高度個(gè)性化的需求的產(chǎn)品，都可以采用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)樣品并投入市場進(jìn)行測試，且從中獲取足夠的數(shù)據(jù)反饋也能及時(shí)用于下一代產(chǎn)品的升級與改進(jìn)。

高度個(gè)性化需求，即不同用戶的特殊需求，傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品千篇一律，無法滿足小眾化的需求，而這一部分被傳統(tǒng)工業(yè)模式遺忘的小群體，隨著消費(fèi)升級，影響力逐漸變大。而3D數(shù)字建模與3D打印技術(shù)，就恰好可以滿足這部分人的需求，填補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)模式上的不足。

1 裝置介紹

運(yùn)用3D數(shù)字建模與3D打印技術(shù)，并結(jié)合單片機(jī)編程，做出了一個(gè)擁有相對完善的智能家居系統(tǒng)的房屋模型，其能實(shí)現(xiàn)完整且基礎(chǔ)的智能一體化功能，并支持用戶的私人個(gè)性化特殊設(shè)置。

本智能家居系統(tǒng)模型包括配合硬件檢測的部分和通過物聯(lián)網(wǎng)平臺收發(fā)數(shù)據(jù)的部分。在接收器接受到特定信號時(shí)，直接通過內(nèi)部硬件連接反應(yīng)器以作出相應(yīng)反應(yīng)，并可將信號上傳至網(wǎng)絡(luò)，以供用戶查看與主動(dòng)控制。

2 模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

包括對室內(nèi)環(huán)境改變的各種傳感器；對應(yīng)的自動(dòng)反應(yīng)器；中央控制器；3D打印的主體。室內(nèi)外的傳感器接收環(huán)境變化或者接收到信號，中央控制電路可產(chǎn)生pwm信號控制相應(yīng)的反應(yīng)器作出響應(yīng)。

2.1 外觀設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)風(fēng)格為現(xiàn)代化別墅，有大型玻璃落地窗，符合大眾普遍對別墅的外觀需求。

2.2 功能介紹

根據(jù)屋外是否有雨，溫濕度傳感器可傳入信號至中央控制器，隨即控制已開啟的窗戶自動(dòng)關(guān)閉?？捎捎脩糁鲃?dòng)遙控開關(guān)窗戶。

實(shí)時(shí)檢測屋內(nèi)溫度濕度，并用中央空調(diào)進(jìn)行調(diào)控至舒適環(huán)境。啟動(dòng)中央空調(diào)時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉門窗、并向用戶發(fā)送信息。用戶可設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)的觸發(fā)條件、以及遙控中央空調(diào)。

檢測大門、窗戶是否受到強(qiáng)沖擊，判斷是否有人硬闖，激活蜂鳴器、發(fā)送警示信息至用戶手機(jī)。震動(dòng)強(qiáng)弱可由用戶自定義設(shè)置。

實(shí)時(shí)檢測屋內(nèi)外光線強(qiáng)弱，自動(dòng)調(diào)整屋內(nèi)若干組燈的亮起與熄滅。可由用戶手動(dòng)操作調(diào)控光線。

實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)液化氣（煤氣）含量，一旦超標(biāo)激活蜂鳴器，發(fā)送警示信息至用戶手機(jī)。

2.3 控制電路

中央控制芯片主要采用 60s2，通過它來根據(jù)需要移動(dòng)的角度、傳感器傳入的不同參數(shù)，來產(chǎn)生pwm信號進(jìn)行舵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)、或者對應(yīng)反應(yīng)器的工作。遠(yuǎn)程操控通過藍(lán)牙以及GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 3D數(shù)字建模

全程采用機(jī)械專業(yè)SolidWorks進(jìn)行一體式設(shè)計(jì)與建模，并軟件中進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測試，使模型組件之間能高度契合。

使用SolidWorks對以創(chuàng)建的數(shù)字模型上進(jìn)行壓力測試、碰撞檢測、流體測試，以保證設(shè)計(jì)出來的模型可應(yīng)對各種情況而不出故障。

3.1 模塊化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用模塊化方式，不同功能區(qū)域有對應(yīng)的組件。如果部分模塊功能失效或需要安裝新的模塊，都極易更換與擴(kuò)展。線路以及各元器件都藏于墻壁內(nèi)腔、地底內(nèi)腔中，在墻體拼接時(shí)會(huì)有對應(yīng)的插口，接上即可，此設(shè)計(jì)大幅提高了設(shè)計(jì)時(shí)的容錯(cuò)率。

3.2 特殊結(jié)構(gòu)

3D數(shù)字建模時(shí)，將所有的線路藏于墻中，大幅提高美觀性。且若線路老化或損壞，可及時(shí)排查，按模塊拆卸并更換線路，可以大幅節(jié)省成本。

通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，以把舵機(jī)等反應(yīng)裝置集中在模型底部。這樣的設(shè)計(jì)不僅利于檢修，也可避免故障時(shí)帶來的不良后果。

3.3 對企業(yè)優(yōu)勢

據(jù)統(tǒng)計(jì)，3D打印的樣品和傳統(tǒng)開模樣品成本相比，前者成本大致只有后者的5%～20%。公司在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，這種方式能在相同的資金支持下提供更大的創(chuàng)新空間。

4 智能控制系統(tǒng)

別墅內(nèi)部各組件可自動(dòng)控制，也可通過連接對應(yīng)手機(jī)APP藍(lán)牙進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和設(shè)置參數(shù)。用戶可通過客戶端及時(shí)查看房屋信息，若有緊急情況可及時(shí)通知用戶。

4.1 智能控制核心程序

在用戶端不進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控與設(shè)置時(shí)，整個(gè)房屋默認(rèn)處于全自動(dòng)管理狀態(tài)，由各個(gè)傳感器模塊分別實(shí)時(shí)檢測屋內(nèi)外環(huán)境，并自動(dòng)調(diào)控屋內(nèi)環(huán)境至宜居水平。

4.2 主動(dòng)控制系統(tǒng)

用戶端可設(shè)置默認(rèn)偏好，如適宜溫度、濕度、光亮等參數(shù)，保存設(shè)置后中央控制器可自動(dòng)將默認(rèn)擬定值轉(zhuǎn)換為客戶定制的擬定值，提高用戶的舒適性以及滿足其多樣性需求。

用戶端可通過遠(yuǎn)程遙控實(shí)行即時(shí)開關(guān)窗、窗簾，溫度濕度調(diào)控等，不再依靠各廠家的各型號遙控器，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能家居一體化。

5 發(fā)展方向

該模型還可添加物聯(lián)網(wǎng)模塊，并結(jié)合大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高度的智能化，甚至能將人工智能助手加入整個(gè)智能家居系統(tǒng)中。

未來隨著該技術(shù)的成熟與普及，3D打印技術(shù)與各行業(yè)會(huì)有更高的契合，能給社會(huì)創(chuàng)造更高的價(jià)值。不僅可以對企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)行服務(wù)，還能向普通個(gè)人用戶提供模型定制與打印。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)模式相比，3D打印生產(chǎn)的模型或者產(chǎn)品樣機(jī)能更好的適應(yīng)市場需求的多變性，并且成本更低更具靈活性。不僅是在智能家居領(lǐng)域，其他行業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)也同樣適用。

伴隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來和消費(fèi)升級，傳統(tǒng)工業(yè)化產(chǎn)品漸漸無法適應(yīng)消費(fèi)者們多變的需求，而3D打印的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到迭代升級都可以在極短時(shí)間內(nèi)完成一次開發(fā)周期，并且在同樣的資金空間內(nèi)有更多的試錯(cuò)機(jī)會(huì)。

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