鐘平忠，駱德漢，溫騰騰，紀(jì)永杰

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

人類對(duì)世界物質(zhì)認(rèn)識(shí)的三大感官有聽覺、視覺和嗅覺，而聲音、圖像和氣味分別是這三大感官與外界信息交流的重要媒介[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，聲音和圖像早已實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸及終端再現(xiàn)，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了古人所訴的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，使得人們足不出戶就可以領(lǐng)略萬千世界。然而人類對(duì)世界物質(zhì)認(rèn)識(shí)的另一重要感官——嗅覺，目前物質(zhì)氣味還無法透過時(shí)空的限制以實(shí)現(xiàn)“萬里飄香”。

因此，本文設(shè)計(jì)一種霧化式氣味生成裝置[2]，用于終端再現(xiàn)目標(biāo)氣味，完成的裝置在智能家居、多媒體技術(shù)和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]。

1 結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)

氣味生成裝置端結(jié)構(gòu)主要由外殼、氣室、排氣扇、霧化片及其固定夾層和香精香料儲(chǔ)蓄瓶等部分組成，整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 氣味生成裝置整體結(jié)構(gòu)模型

外殼對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。氣室底端與霧化片固定夾板相接，左右兩端留有通風(fēng)口，左端通風(fēng)口處安置排氣扇，當(dāng)霧化片將液態(tài)香精從儲(chǔ)蓄瓶中霧化到氣室中時(shí)，通過排氣扇將氣味從氣室右端吹出，擴(kuò)散到空氣中。儲(chǔ)蓄瓶用于存放液態(tài)香精香料，本裝置使用8個(gè)瓶子存放8種不同香精以實(shí)現(xiàn)8種可選氣味；儲(chǔ)蓄瓶托架和內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定卡槽凸片等結(jié)構(gòu)主要用于固定裝置中的特定結(jié)構(gòu)。

1.1.2 霧化片工作結(jié)構(gòu)

裝置端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分是如何固定霧化片并使霧化片與儲(chǔ)蓄瓶中的液態(tài)香精香料接觸以實(shí)現(xiàn)霧化片的穩(wěn)定工作。圖2給出了本文的設(shè)計(jì)方案，以其中一個(gè)霧化通道為例，圖2中標(biāo)號(hào)1指的是霧化氣體的出口，霧化片和儲(chǔ)蓄瓶通過圖2中的上、中、下三塊板來固定，霧化片與儲(chǔ)蓄瓶中的液態(tài)香精香料接觸通過圖2中標(biāo)號(hào)7所示的棉棒來實(shí)現(xiàn)，棉棒一頭透過瓶蓋與霧化片接觸，其余部分與香精香料液體接觸，由于棉棒的吸水特性，將瓶中的液體吸至與霧化片接觸的一頭，此時(shí)霧化片就可將液態(tài)香精香料霧化出出氣口。

圖2 霧化片工作結(jié)構(gòu)

1.2 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置端硬件系統(tǒng)由STM32F103主控芯片、電源輸入模塊、藍(lán)牙模塊、三級(jí)管開關(guān)、霧化片驅(qū)動(dòng)電路和STM32F103芯片內(nèi)部定時(shí)器等部分組成，硬件電路整體框圖如圖3所示。

圖3 裝置端硬件整體框圖

1.2.1 霧化片驅(qū)動(dòng)電路

本文霧化片驅(qū)動(dòng)電路芯片選用SJ303型號(hào)芯片，該芯片專用于微孔超聲波霧化片驅(qū)動(dòng)IC，其內(nèi)部集成了：高頻PWM發(fā)生器、DC-DC升壓控制器、MCU內(nèi)核等資源。IC通過驅(qū)動(dòng)2顆低內(nèi)阻N溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)霧化片驅(qū)動(dòng)頻率輸出，本文選用的霧化片最佳工作頻率為113 kHz，SJ303驅(qū)動(dòng)IC可自動(dòng)捕捉微孔霧化片最佳諧振頻率，其輸出頻率可在100 kHz～120 kHz之間進(jìn)行定制。

圖4所示是SJ303芯片的一個(gè)具體使用拓?fù)潆娐穂5]，電路輸入直流電壓并控制在2.4 V～5 V之間。OUTA和OUTB是電路的輸出端即霧化片接口。

圖4 霧化片驅(qū)動(dòng)電路

1.2.2 藍(lán)牙模塊通信

微信小程序操作端與裝置端的數(shù)據(jù)傳輸，通過藍(lán)牙模塊透傳功能來實(shí)現(xiàn)，CC2541低功耗藍(lán)牙模塊[6]，其反應(yīng)速度可達(dá)到0.4 s，收發(fā)數(shù)據(jù)無字節(jié)限制，最高可達(dá)3 kb/s。模塊外部留置了串口通信接口，使其與STM32F103控制器的串口1對(duì)應(yīng)GPIO口相連，當(dāng)微信小程序操作端藍(lán)牙與CC2541藍(lán)牙模塊連接成功后，就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，微信小程序操作端就可以發(fā)送指定數(shù)據(jù)控制裝置端運(yùn)行，裝置端運(yùn)行結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)反饋給微信小程序操作端。

圖5(a)所示是裝置端硬件電路和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖，圖5(b)展示的是整個(gè)完整的裝置端。

圖5 氣味生成裝置樣機(jī)

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括裝置端控制電路軟件設(shè)計(jì)和微信小程序操作端軟件設(shè)計(jì)，裝置端軟件設(shè)計(jì)在MDK5開發(fā)環(huán)境中完成[7]，微信小程序操作端軟件設(shè)計(jì)在微信Web開發(fā)者工具中完成[8]。裝置端軟件包含霧化片驅(qū)動(dòng)控制、定時(shí)器計(jì)時(shí)、串口通信和風(fēng)扇排氣控制等，微信小程序操作端軟件主要包含頁面顯示、頁面布局和頁面邏輯等。圖6所示是整個(gè)裝置系統(tǒng)的軟件控制流程。

圖6 系統(tǒng)軟件控制流程

2.1 串口通信軟件實(shí)現(xiàn)

STM32F103內(nèi)置5路串口，本文選用串口1進(jìn)行通信[9]，串口軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1)使能串口1時(shí)鐘，使能串口1 GPIO引腳時(shí)鐘；

(2)串口1復(fù)位；

(3)配置串口1 GPIO引腳為串口工作模式；

(4)配置串口1波特率、字長、奇偶校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)；

(5)開啟串口1中斷并初始化NVIC；

(6)使能串口1；

(7)編寫串口1中斷函數(shù)；

完成上述步驟之后，微信小程序操作端就可以通過藍(lán)牙透傳功能并由STM32F103串口1實(shí)現(xiàn)與裝置端的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 定時(shí)器計(jì)時(shí)

由于裝置端風(fēng)扇和霧化片工作都需要設(shè)定時(shí)間，因此這個(gè)計(jì)時(shí)功能可由STM32F103內(nèi)置的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。STM32F103內(nèi)核處理器包含了一個(gè)SysTick定時(shí)器[10]，該定時(shí)器是一個(gè)24位的倒計(jì)數(shù)定時(shí)器，使用該定時(shí)器實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)既不占用中斷，也不占用系統(tǒng)定時(shí)器。SysTick的時(shí)鐘源自HCLK的8分頻，本系統(tǒng)外部晶振為8 MHz，因此倍頻為72 MHz，所以SysTick的時(shí)鐘為9 MHz，也就是SysTick每計(jì)數(shù)1一次時(shí)間為1/9 μs。系統(tǒng)對(duì)定時(shí)器的軟件實(shí)現(xiàn)，只需配置時(shí)鐘、設(shè)置定時(shí)器寄存器、使能定時(shí)器，最后根據(jù)計(jì)數(shù)次數(shù)來定制需要的時(shí)間。

2.3 風(fēng)扇、霧化片驅(qū)動(dòng)

風(fēng)扇和霧化片驅(qū)動(dòng)電路在硬件電路中一端固定接高電平，另一端接STM32F103 GPIO引腳，通過GPIO口輸出高低電平來控制風(fēng)扇和霧化片工作，因此風(fēng)扇和霧化片驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)只需配置STM32F103對(duì)應(yīng)GPIO口為輸出模式，STM32F103就可以通過接收到的數(shù)來據(jù)控制風(fēng)扇和霧化片工作。

2.4 微信小程序操作端軟件實(shí)現(xiàn)

微信小程序開發(fā)平臺(tái)提供了一個(gè)簡單、高效的應(yīng)用開發(fā)框架和豐富的組件及API接口[11]。小程序頁面設(shè)計(jì)使用WXML(WeiXin Markup Language)語言，結(jié)合基礎(chǔ)組件、事件系統(tǒng)就可構(gòu)建出想要的頁面結(jié)構(gòu)；頁面樣式布局采用WXSS(WeiXin Style Sheets)語言設(shè)計(jì)完成；頁面邏輯處理使用JS(JavaScript)語言來設(shè)計(jì)，頁面邏輯主要包含藍(lán)牙連接、數(shù)據(jù)收發(fā)等API接口調(diào)用。圖7所示是微信小程序操作端的三個(gè)主要操作界面。

圖7 微信小程序主要操作界面

3 系統(tǒng)運(yùn)行與效果評(píng)估

3.1 運(yùn)行測試

完成前述所有設(shè)計(jì)工作后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測試。首先給裝置上電，裝置電路板上電源指示燈亮起則表示裝置供電正常，如圖8(a)所示；接下來打開微信小程序，測試藍(lán)牙連接結(jié)果，藍(lán)牙連接成功后，小程序界面顯示“藍(lán)牙已連接”，如圖8(b)所示；藍(lán)牙連接成功后，點(diǎn)擊配置界面“設(shè)備初始化”，小程序頁面反饋顯示“設(shè)備正?！?，如圖8(c)所示，則說明小程序操作端與裝置端之間數(shù)據(jù)傳輸以及裝置工作狀態(tài)正常；通過氣味點(diǎn)播頁面選擇需要生成的目標(biāo)氣味，并選擇需要釋放的時(shí)長發(fā)送給裝置端，如圖8(d)所示，裝置端霧化片、風(fēng)扇正常工作后，小程序頁面反饋顯示“釋放完成”，如圖8(e)所示，說明裝置端氣味釋放正常。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行測試

3.2 效果評(píng)估

對(duì)裝置生成的氣味效果，本文設(shè)計(jì)了簡單的評(píng)估實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是通過實(shí)驗(yàn)人員辨識(shí)裝置釋放的香味，實(shí)驗(yàn)材料選用的是蘋果、橙子、水蜜桃、香蕉、菠蘿、哈密瓜、檸檬和草莓8種食用香精(濃度相同)，實(shí)驗(yàn)人員為本團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室挑選的40名研究生(包含男女)，參與者的嗅覺功能正常，沒有感冒、鼻炎或呼吸道過敏等癥狀，無吸煙史，在參加實(shí)驗(yàn)期間不使用香水或帶有氣味的化妝品，實(shí)驗(yàn)環(huán)境保持室溫通風(fēng)。實(shí)驗(yàn)步驟為：(1)40位參與者需提前對(duì)8種香精進(jìn)行嗅感辨識(shí)；(2)40位參與者輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每人一次辨識(shí)一種氣味，實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)操作員為其帶上眼罩，隨機(jī)釋放一種氣味，每位參與者對(duì)每種氣味需進(jìn)行3次測試；(3)參與者根據(jù)聞到的氣味，對(duì)氣味種類和強(qiáng)度進(jìn)行記錄，強(qiáng)度從0～10進(jìn)行表示，0表示最弱，10最強(qiáng)；(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率和平均強(qiáng)度，如表1所示。

從以上結(jié)果可看出，哈密瓜的準(zhǔn)確率最低且其平均強(qiáng)度也最低，而檸檬的準(zhǔn)確率為100%，所以實(shí)驗(yàn)效果與香精香料類別、質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種霧化式氣味生成裝置系統(tǒng)，裝置端以STM32F103作為主控芯片，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)裝置端與微信小程序操作端的數(shù)據(jù)傳輸。裝置預(yù)置8種氣味輸出，氣味生成效果滿足人類感官體驗(yàn)，氣味生成裝置可應(yīng)用于電子商務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能家居和醫(yī)療診斷等多個(gè)領(lǐng)域。