唐夢菲，陳瑤，高建民

(北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，北京 100083)

人們生活水平的提高與現(xiàn)代科技的發(fā)展對家具產(chǎn)品提出了更高的要求，傳統(tǒng)的家具難以滿足當下年輕人追求個性及更加有趣的生活方式的需求,現(xiàn)代化、自動化的智能家具是未來發(fā)展的趨勢。智能家具的設計常采用類比推理法，即將其他領域的一些原理和方法應用到智能家具中，如藍牙、WiFi是手機的常見功能，將這些功能安裝到家具身上可以賦予家具新的功能[1]。衣柜的基本屬性是存儲衣物，而借助嵌入式系統(tǒng)、各種傳感器、機械裝置、攝像頭可以實現(xiàn)衣物殺菌、消毒、識別等[2-3]，為衣柜附加額外功能，讓衣柜智能起來，為人們提供更便捷的生活。智能家具在設計方法上大多數(shù)為理論系統(tǒng)設計，少部分為關鍵部件實物驗證，極少數(shù)為整體生產(chǎn)。實物生產(chǎn)的優(yōu)點是可以使人直觀地體驗智能家具的效果，但缺點是由于家具本身體積較為龐大，整體實物生產(chǎn)對空間、時間、成本都有一定要求且出現(xiàn)錯誤修改不方便。而通過Unity 3D對家具功能進行效果模擬，設計人員可以暫不生產(chǎn)家具主體，通過模型繪制在軟件的模擬環(huán)境中對家具的效果、功能進行分析，從而減少費用并節(jié)約時間。本研究利用單片機、傳感器、CAD和3d Max軟件，結(jié)合蒙德里安的代表作《紅黃藍的構(gòu)成》設計一款符合年輕消費者需求的手勢感應自動開關門衣柜，并基于Unity 3D平臺將開關門效果進行模擬。

1 Unity 3D的應用

Unity 3D產(chǎn)品最初于2005年發(fā)布，當時為一款面向OS X的游戲引擎，目前是一個可輕松創(chuàng)建交互式內(nèi)容、跨平臺的專業(yè)引擎平臺[4]。開發(fā)者可以使用Unity 3D創(chuàng)建產(chǎn)品或從外部導入產(chǎn)品，配置物理性能并進行虛擬產(chǎn)品測試。

目前Unity 3D在VR場景漫游方面應用較多。如熊巍等[5]利用Unity 3D作為開發(fā)環(huán)境，模擬化學實驗的操作流程，達到輔助教學的目的?；魫矍宓萚6]通過3d Max建模，Unity 3D模擬鉆井工程的八大作業(yè)系統(tǒng)，為后期培訓教學帶來了便利。

在家具方面主要用于家具系統(tǒng)的開發(fā)。比如室內(nèi)VR仿真[7]、家裝漫游系統(tǒng)的開發(fā)[8]、虛擬家裝設計等[9]。馬利波[10]利用Unity 3D模擬明式家具的結(jié)構(gòu)和制作工藝，讓家具展示擁有了交互性、動態(tài)性；張飛[11]利用Unity 3D制作了一個具有交互功能的新中式家具選擇場景，讓消費者更直觀地了解家具在室內(nèi)的狀態(tài)。

2 Unity 3D用于智能家具設計的原理

Unity 3D作為一個游戲引擎能夠應用于智能家具的設計主要基于以下幾點：

1)強大的多平臺協(xié)作能力[12]，可以接收大部分主流3D制作軟件的文件，包括家具設計常用的CAD和3d Max；

2)豐富的組件功能和插件功能。Unity 3D編輯器中包含2D與3D場景設計工具、NVIDIA PhysX物理引擎、光照、音頻系統(tǒng)、Sprite管理工具、GUI插件、粒子效果和關鍵幀清單動畫系統(tǒng)[13]，可以滿足智能家具常見功能的模擬；

3)可以通過串口與外部機械元件通信，接收單片機指令，實現(xiàn)家具功能外部控制，內(nèi)部模擬。

3 設計案例

衣柜作為家庭中必不可少的一種家具，主要功能是存放衣物、裝飾室內(nèi)空間。目前對于智能衣柜的設計還處于起步階段，其設計開發(fā)還有很多可研究的空間。

3.1 設計背景

產(chǎn)品定位為當下80、90后年輕人，因為年輕人對新鮮事物興趣度較高，其思想和觀念相對比較前衛(wèi)，更追求個性化、與眾不同，對于產(chǎn)品美觀性的重視往往超過對產(chǎn)品價值的考慮[14]。

外觀設計是受蒙德里安《紅黃藍的構(gòu)成》作品的啟發(fā)(圖1)。蒙德里安的主要理念是：自然界中的各種元素都可以用簡單的水平、垂直線來表示[15]。而《紅黃藍的構(gòu)成》這幅作品將水平垂直線與三原色置于大小看似毫無規(guī)矩的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，使每種元素的位置和面積最終達到一種和諧與平衡。

圖1 紅黃藍的構(gòu)成Fig. 1 Composition with red, blue, and yellow

3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本研究以家具智能化理論為基礎，設計一款可以手勢自動開關門的智能衣柜，應用CAD、3d Max軟件設計衣柜的造型，在外部依靠傳感器和單片機控制，通過軟件與硬件兩部分，結(jié)合Unity 3D技術(shù)在電腦中模擬衣柜開關門的效果。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 System structure diagram

3.3 設計方法

3.3.1 衣柜模型建立

在造型上，《紅黃藍的構(gòu)成》畫作中水平垂直線以及紅黃藍三色的元素都在本設計中有所體現(xiàn)，并在該畫作的風格基礎上將顏色加深為深紅、深藍和姜黃色，而黑色的部分可以用來安裝元器件，使其在柜體中不是很顯眼，到達“隱形”的效果。

材質(zhì)部分，門板都采用亞克力板，打造輕盈、簡潔的形象。

在結(jié)構(gòu)上，衣柜的分區(qū)設計成中間為移門衣柜，用于懸掛易皺或熨燙平整的外套等衣物；左側(cè)為轉(zhuǎn)門，用于存放擺放疊好的衣物、換季衣被、儲物盒等；右側(cè)為抽拉門，上層可放置短款衣物，下層為褲掛。多變的開門方式為衣柜增加一些趣味性，更大化利用了柜內(nèi)空間，更方便了衣服的拿取。通過CAD和3d Max建立衣柜的模型，效果圖如圖3。

圖3 設計案例效果Fig. 3 Designs of case rendering

3.3.2 程序編寫及硬件連接

光電感應開關門部分本研究選用STC89C52型單片機、E18-D80NK型光電開關作為外部元器件。STC89C52型單片機是較為經(jīng)典的具有MCS-51內(nèi)核、8位CPU的單片機。

E18-D80NK型光電開關是基于紅外線反射原理的光電開關，采用三線制導線連接，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)，距離可調(diào)節(jié)范圍為3～80 cm，工作電壓為5～36 V，工作環(huán)境溫度為-25 ℃～+55 ℃。電路圖見圖4。

圖4 電路圖Fig. 4 Circuit diagram

圖5 系統(tǒng)程序框圖Fig. 5 System program block flow diagram

開發(fā)環(huán)境為keil uvision3，系統(tǒng)邏輯程序如圖5所示。系統(tǒng)控制原理如下:首先需要將程序以及紅外模塊依次初始化，接下來判斷紅外傳感器A或紅外傳感器B是否有信號。若紅外傳感器A檢測到了信號，且把檢測變量對2取余數(shù)后，判斷結(jié)果是否為奇數(shù)，若為奇數(shù)，則A電機正轉(zhuǎn)3 s，否則A電機反轉(zhuǎn)3 s，3 s后A電機停轉(zhuǎn)，紅外模塊恢復初始化；若紅外傳感器B檢測到信號，且把檢測變量對2取余數(shù)，判斷是否為奇數(shù)，若為奇數(shù)，則B電機正轉(zhuǎn)3 s，否則B電機反轉(zhuǎn)3 s，3 s后B電機停轉(zhuǎn)，紅外模塊恢復初始化；若紅外傳感器A、B均未檢測到信號，則A、B電機不轉(zhuǎn)，紅外模塊保持初始化。后續(xù)重復以上操作，同時發(fā)送字符串“open”和“close”到Unity 3D中。將編寫好的程序通過STC-ISP軟件冷啟動上電燒錄進單片機。

3.3.3 創(chuàng)建Unity 3D工程及模型導入

Unity 3D平臺中支持許多常見的3D模型制作軟件，最常用的為.FBX文件格式。首先將在3d Max中做好的衣柜立體模型文件備份后，保存為.FBX 格式文件導出，圖6為文件導出圖，導出后置于工程文件夾中的Assets文件夾下，并在場景視圖中打開。由于模型、材質(zhì)都已在3d Max中創(chuàng)建好，因此在Unity 3D中不需要重復添加。將模型拖到Project面板下，對模型進行簡單烘焙，調(diào)整攝像機位置，使模型出現(xiàn)在畫面中。

圖6 FBX文件導出Fig. 6 Import FBX file

圖7 開關門動畫腳本Fig. 7 Switch door animation script

3.3.4 組件功能建立

物體是組件的容器。在Unity 3D中，物體的大部分功能的實現(xiàn)都是由組件來完成的，腳本也是一種組件。腳本開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio。依次點擊Create-C#Script創(chuàng)建C#腳本。為了多角度觀察衣柜，通過bool函數(shù)判定當前無法切換視角，當相機速度大于0，改變bool值來切換視角；通過Vector3.SmoothDamp函數(shù)設置當前攝像機的位置和要接近的位置，腳本圖如圖7所示。本研究用到的另一種組件為變換Transform組件，變換組件表示了對象的位置、朝向和縮放的信息，且是每個對象必須有且無法刪除的。打開動畫設置界面，選擇右門這個組件，添加動畫。打開錄制模式，選擇關鍵幀，更改Transform面板下門的position中x的數(shù)值為單扇門寬度，使之能移動到合適的位置。

3.3.5 串口通信

由于單片機和計算機的電平不同，需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。MAX232芯片可以將計算機輸出的電平轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的0V/5V電平，從而實現(xiàn)了計算機和單片機之間的通信。

進行串口通信時首先需要將單片機的COM端口打開，并在Unity 3D中識別該端口，在keil uVision3中編寫開關門字符串分別為“open1”和“close1”單片機發(fā)送串口數(shù)據(jù)部分程序如下：

void SendrStr(const uint8 *ptr)

{

do

{

SendOneByte(*ptr);

}while(*ptr++!=′