新型家用自動(dòng)門設(shè)計(jì)及模型制作

袁海琪 劉 靜 張 敏 盧澤異 白雯瑋 關(guān)鴻耀 南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

1 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，近年來，大量的智能家居產(chǎn)品涌入市場，包括智能電視、智能音箱、智能冰箱等等。傳統(tǒng)裝修已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人對(duì)生活方面舒適度的需求,智能家居的場景設(shè)計(jì)成為現(xiàn)代家庭裝修的新趨勢[1]。那么傳統(tǒng)門能否也在這場智能化的潮流中完成蛻變呢？

2 產(chǎn)品應(yīng)用背景

所謂智能家居產(chǎn)品，主要是將住宅當(dāng)做是平臺(tái),實(shí)現(xiàn)家庭中的信息通信、電氣設(shè)備與環(huán)境的控制和管理目的,可以提升家居控制與管理的智能化水平[2]。現(xiàn)在主流的門類產(chǎn)品主要有一下三種，一種是安裝在公共場合的公用自動(dòng)門，這類門常出現(xiàn)在銀行、酒店、醫(yī)院等場合；第二種則是具備生物識(shí)別功能的智能防盜門，可通過指紋、聲紋識(shí)別或者密碼輸入來判別開門者的身份；以上這兩種產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

最后一種則是室內(nèi)自動(dòng)門，該類產(chǎn)品受技術(shù)限制，大部分使用上仍和上文提到的公用自動(dòng)門類似，即通過紅外感應(yīng)檢測門前是否有人，人來即開，人去即走，屬于簡單觸發(fā)。但在日常生活中，人會(huì)在屋內(nèi)四處活動(dòng)，這種簡單的觸發(fā)方式會(huì)使自動(dòng)門在不需要的情況下被觸發(fā)開啟。小部分采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過使用者的語音命令來識(shí)別觸發(fā)，這又涉及到了隱私問題。除此之外還有諸多問題有待解決，讓自動(dòng)門真正進(jìn)入住宅空間是眾多自動(dòng)門制造商真正的夢想[3]。

現(xiàn)有家用自動(dòng)門主要有以下兩大類：

1）采用常規(guī)感應(yīng)方式，如采用無線非接觸感應(yīng)開關(guān)、無線感應(yīng)地毯、紅外感應(yīng)雷達(dá)、遙控等等進(jìn)行感應(yīng)操作，但是通過這些方式還是需要使用者通過動(dòng)作來進(jìn)行觸發(fā)，使用上仍然會(huì)帶來諸多不便；而作為主流方式的紅外感應(yīng)雷達(dá)觸發(fā)方式，由于使用者會(huì)經(jīng)常在室內(nèi)走動(dòng)，如果僅采用紅外感應(yīng)雷達(dá)的話，就會(huì)容易出現(xiàn)誤觸發(fā)的現(xiàn)象，從而降低了體驗(yàn)效果，因此并不適合在室內(nèi)大范圍安裝；

2）采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如通過手機(jī)APP 或者智能音箱進(jìn)行控制，但是通過手機(jī)APP 的操作方式，其操作復(fù)雜，且并不實(shí)用；而智能音箱是通過識(shí)別使用者的語音來控制自動(dòng)門的開關(guān)，如果在室內(nèi)安裝了多個(gè)自動(dòng)門，且室內(nèi)空間比較大的情況下，使用者每次使用都需要大聲地給出極為精準(zhǔn)的識(shí)別命令，例如：智能音箱請打開爸爸臥室房間的門。另外，在屋內(nèi)有噪音的情況下，智能音箱會(huì)很難準(zhǔn)確接受并理解識(shí)別命令。另外，在實(shí)際運(yùn)用階段中，無法保證以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為介質(zhì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)資源丟失、用戶個(gè)人信息被竊取等網(wǎng)絡(luò)安全問題。使用時(shí)，智能音箱持續(xù)不斷的記錄房間內(nèi)的聲音，將聲音上傳云端后，提取分析命令，再將結(jié)果發(fā)送到具體設(shè)備，這個(gè)過程所進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換可能會(huì)被不法分子竊取，這導(dǎo)致用戶的隱私安全受到了極大的威脅。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方式描述

考慮到上文所提出的諸多問題，我們希望能設(shè)計(jì)一款操作簡單、符合日常使用需要、不會(huì)對(duì)用戶隱私造成威脅的新型家用自動(dòng)門，最終目的是要讓自動(dòng)門真正進(jìn)入住宅空間，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)完全安裝。

首先考慮的是，舍棄物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不使用智能音箱等方式進(jìn)行識(shí)別。智能音箱通過移動(dòng)智能終端應(yīng)用軟件與云平臺(tái)進(jìn)行交互時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與交互，存在數(shù)據(jù)泄露、網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)首先就要聯(lián)網(wǎng)，一旦斷網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)就無法運(yùn)轉(zhuǎn)，若是遇到突發(fā)狀況可能會(huì)導(dǎo)致屋內(nèi)人員喪失求生機(jī)會(huì)。

第二點(diǎn)則是一種更加有效簡單的觸發(fā)方式。目前市面上的家用自動(dòng)門主要是通過兩種方式進(jìn)行識(shí)別觸發(fā)，一種稱為觸發(fā)，即通過紅外感應(yīng)裝置來檢測門前是否有人在。但由于在日常生活中住戶會(huì)在房屋走動(dòng)，僅通過這種紅外感應(yīng)裝置無法判斷使用者是否真的有開門需求，因?yàn)榭赡茏糁皇菑拈T前經(jīng)過，但自動(dòng)門依然會(huì)感應(yīng)到并運(yùn)作。第二張稱為手動(dòng)觸發(fā)，即使用者需要使用無線非接觸感應(yīng)開關(guān)、無線感應(yīng)地毯、遙控等等方式進(jìn)行識(shí)別觸發(fā)。這種方式簡單的說就是有些多此一舉。本身室內(nèi)門的開關(guān)就是一件十分簡單的動(dòng)作，通過開關(guān)觸發(fā)自動(dòng)門和直接用手開門，從操作性而言，二者其實(shí)沒啥差別。而從安裝價(jià)格來看，自動(dòng)門則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)門，沒有人會(huì)愿意花錢裝一個(gè)沒有什么必要的東西。

第三點(diǎn)是要符合人民日常的使用習(xí)慣。仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同房間的門每天的開關(guān)頻率不同例如：廁所門的開關(guān)頻率最高，然后是書房門和廚房門，最后是臥室門。每種門的常態(tài)也不同，最明顯的就是臥室的門，可能只有晚上門需要關(guān)閉，其余在白天門都是開啟狀態(tài)。再有門的類型也分為扇門和移門，往往臥室門會(huì)選擇扇門，而廚房和臥室會(huì)選擇移門，這些都是根據(jù)住戶需求選擇設(shè)計(jì)的。

圖1 自動(dòng)扇門

圖2 自動(dòng)移門

4 作品工作原理分析

雖說本作品不打算使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但通過語音識(shí)別觸發(fā)確實(shí)是一種既簡單又新奇控制方式。目前語音識(shí)別技術(shù)在自動(dòng)門領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是通過聲紋匹配技術(shù)來進(jìn)行身份識(shí)別，常使用在智能防盜門上。如果要在室內(nèi)門上使用，則會(huì)如上文所提到的那樣需要有十分明確的指令，即打開或開啟哪個(gè)房間的哪個(gè)門。如僅用簡單指令如“開門”、“關(guān)門”、“把門打開”、“把門關(guān)上”，則會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是控制系統(tǒng)不知道是命令指向哪個(gè)門而都不工作，或者每個(gè)門都接收到命令，然后“一呼百應(yīng)”。

整個(gè)問題關(guān)鍵在于如何用一種簡單的方式告訴自動(dòng)門它應(yīng)該工作了。這里就要從人的使用習(xí)慣出發(fā)進(jìn)行考慮。以圖3為例，假設(shè)某人需要從識(shí)別區(qū)域A走向識(shí)別區(qū)域B，則他會(huì)首先站在識(shí)別區(qū)域A，穿過門后，再到識(shí)別區(qū)域B，識(shí)別區(qū)域AB以外的識(shí)別區(qū)域均為無效識(shí)別區(qū)域，可認(rèn)為與通過門的過程無關(guān)。那么，我們是否可以給每個(gè)人都劃分出識(shí)別區(qū)域AB，每個(gè)識(shí)別區(qū)域之間不相交，則每個(gè)門相互之間狀態(tài)就是獨(dú)立的。通過這種方式，人在某個(gè)識(shí)別區(qū)域發(fā)出語音命令就具有了指向性，僅對(duì)該識(shí)別區(qū)域內(nèi)的門有效。

圖3 原理演示圖

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

因?yàn)榧矣瞄T一般有扇門和移門兩種，但對(duì)于本產(chǎn)品而言，雖然門的開合方式不同，但控制邏輯時(shí)一致。產(chǎn)品的關(guān)鍵就是要為門的兩側(cè)劃出一個(gè)識(shí)別區(qū)域，只有人在識(shí)別區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)門接收到語音指令這兩個(gè)條件均滿足，門才會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作。其余情況下，門都不工作。

本產(chǎn)品通過紅外感應(yīng)裝著來為自動(dòng)門劃定識(shí)別區(qū)域，門的兩側(cè)各設(shè)置了一個(gè)方向斜向下的紅外感應(yīng)裝置。此時(shí)兩個(gè)紅外感應(yīng)裝置的感應(yīng)范圍構(gòu)成了識(shí)別區(qū)域AB。

語音識(shí)別技術(shù)從應(yīng)用的層面來說可以分為2類：一類針對(duì)一個(gè)特定的人被稱作特定人語音識(shí)別技術(shù)；另一類恰好相反, 可以適用多種聲音, 被稱作非特定人語音識(shí)別技術(shù)。后者比前者更具廣泛性,更加適用人類需求。本產(chǎn)品使用的就是第二種識(shí)別技術(shù)，這是因?yàn)楸井a(chǎn)品用于室內(nèi)，沒有識(shí)別說話人身份的需求。

驅(qū)動(dòng)方面和市面上常見的自動(dòng)門相同，扇門通過電機(jī)帶動(dòng)連桿控制門的開合，移門則通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶控制門在滑軌上移動(dòng)。

圖4 新型家用移門產(chǎn)品概念圖1

圖5 新型家用移門產(chǎn)品概念圖2

6 模型制作

經(jīng)過小組成員的不斷討論，最后我們覺得制作一個(gè)模型而非實(shí)物。一是由于制作自動(dòng)門造價(jià)昂貴，再有實(shí)物體積龐大，缺乏安裝墻面，展示性并不高。原本的計(jì)劃是購買現(xiàn)有的自動(dòng)門產(chǎn)品再按照項(xiàng)目需要進(jìn)行改裝，但由于產(chǎn)品使用的控制器系統(tǒng)完全保密，我們沒能對(duì)其進(jìn)行二次編程，最后放棄。

6.1 配件選用

作品本身的控制邏輯其實(shí)并不復(fù)雜，徑考慮使用89C51單片機(jī)已完全能滿足功能需求。語音模塊使用的是LD3320 非特定人語音識(shí)別模塊，其功能在于識(shí)別外界語音，分析內(nèi)容，并可通過引腳輸出信號(hào)，無需聯(lián)網(wǎng)，可與單片機(jī)配合使用。紅外感應(yīng)模塊選用的HC-SR501 人體感應(yīng)模塊，價(jià)格便宜，效果良好。除此之外還有LED和喇叭等配件。

6.2 功能設(shè)計(jì)

上文中也有提到，室內(nèi)門在不同的位置，使用頻率和一般狀態(tài)都是不同的。為配合人們的使用習(xí)慣，我們?yōu)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)了幾種模式。

（1）自動(dòng)模式：當(dāng)使用者站在門的一側(cè)，被該側(cè)紅外感應(yīng)模塊檢測到并發(fā)出指令“自動(dòng)模式”后，如門初態(tài)為開啟狀態(tài)，保持等待；如門初態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，門開啟。等到使用者穿過門，被另一側(cè)的紅外感應(yīng)模塊檢測到后，過幾秒，然后門關(guān)閉。該模式末態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。

（2）常開模式：如門初態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，無論使用者站在門的哪一側(cè)，只要被紅外感應(yīng)模塊檢測到并發(fā)出指令“常開模式”，門開啟，并保持狀態(tài)；如門初態(tài)為開啟狀態(tài)則保持狀態(tài)。該模式末態(tài)為開啟狀態(tài)。

（3）常閉模式：如門初態(tài)為開啟狀態(tài)，無論使用者站在門的哪一側(cè)，只要被紅外感應(yīng)模塊檢測到并發(fā)出指令“常閉模式”，門關(guān)閉，并保持狀態(tài)；如門初態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)則保持狀態(tài)。該模式末態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。

（4）鎖門：如門初態(tài)為開啟狀態(tài)，無論使用者站在門的哪一側(cè)，只要被紅外感應(yīng)模塊檢測到并發(fā)出指令“鎖門”，門關(guān)閉，狀態(tài)為上鎖狀態(tài)；如門初態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)則直接進(jìn)入上鎖狀態(tài)。該模式末態(tài)為上鎖狀態(tài)，在上鎖狀態(tài)下，除非說出密碼或者特殊口令，門的其他狀態(tài)均無效。

（5）解鎖口令：解鎖口令只在門處于上鎖狀態(tài)時(shí)有效。無論使用者站在門的哪一側(cè)，只要被紅外感應(yīng)模塊檢測到并說出預(yù)先設(shè)定的密碼或特殊口令，接觸門的上鎖狀態(tài)，門開啟并保持，最終末態(tài)為開啟狀態(tài)。

6.3 機(jī)械制作

作品全部采用SOLIDWORKS 軟件建模，單片機(jī)傳感器的外殼采用3D打印技術(shù)制作，安裝墻面使用亞克力板激光切割制作而成，二者所用工程圖紙均直接從軟件中導(dǎo)出。

圖6 機(jī)械設(shè)計(jì)裝配圖

6.4 作品實(shí)物照片

圖7 作品實(shí)物圖

7 創(chuàng)新特色

（1）將非特定人語音識(shí)別技術(shù)與紅外感應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，和傳統(tǒng)門相比更有科技感，體驗(yàn)更好，而和現(xiàn)有的室內(nèi)自動(dòng)門相比，操作更加簡單，誤觸發(fā)率更低。

（2）該作品可以說是在現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行了部分改進(jìn)，增加部分的成本并不多，且容易實(shí)現(xiàn)，能快速投入生產(chǎn)。

（3）考慮到人的日常使用習(xí)慣，設(shè)計(jì)了幾種不同的模式，可自動(dòng)關(guān)門、可常閉常開、更可以實(shí)現(xiàn)鎖門和密碼解鎖功能。

8 預(yù)期應(yīng)用前景

但根據(jù)調(diào)查結(jié)果可以看出，有60.12%的消費(fèi)者由于智能家居價(jià)格較為昂貴所以不會(huì)使用智能家居。由于增設(shè)了一個(gè)語音識(shí)別模塊，產(chǎn)品成本略有增加，使用體驗(yàn)卻大大提升，整體來說性價(jià)比還是非常高的，由于產(chǎn)品是在現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)廠家可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)并迅速投產(chǎn)，所以最終的售價(jià)和現(xiàn)有的自動(dòng)門產(chǎn)品應(yīng)該相差不大。

產(chǎn)品最理想的營銷方式應(yīng)該是與房地產(chǎn)商合作，打造智能房產(chǎn)。目前，在房地產(chǎn)市場，精裝修已無法滿足舒適化和個(gè)性化的需求。通過配套智能化產(chǎn)品提升房屋的附加值，智能家居已然成為樓盤品質(zhì)與銷售賣點(diǎn)的新砝碼。我們的產(chǎn)品就非常適合這種銷售模式，因?yàn)樽詣?dòng)門后期安裝十分麻煩，比較適合精裝修房預(yù)先安裝，可以增加房屋的科技感，作為一大銷售賣點(diǎn)。

9 致謝

由于比賽時(shí)間跨度長，項(xiàng)目制作的難度大，十分感謝所有給予我指導(dǎo)的老師；所有幫助我完成項(xiàng)目的同學(xué)；感謝我的學(xué)校能給我參加這次比賽的機(jī)會(huì)；最需要感謝的是我的父母，感謝他們能夠一直支持我做自己喜歡做的事。