袁海琪 劉 靜 張 敏 盧澤異 白雯瑋 關鴻耀 南京工程學院機械工程學院

1 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟，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)代人對生活方面舒適度的需求,智能家居的場景設計成為現(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)品應用背景

所謂智能家居產(chǎn)品，主要是將住宅當做是平臺,實現(xiàn)家庭中的信息通信、電氣設備與環(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別功能的智能防盜門，可通過指紋、聲紋識別或者密碼輸入來判別開門者的身份；以上這兩種產(chǎn)品技術已經(jīng)相當成熟。

最后一種則是室內自動門，該類產(chǎn)品受技術限制，大部分使用上仍和上文提到的公用自動門類似，即通過紅外感應檢測門前是否有人，人來即開，人去即走，屬于簡單觸發(fā)。但在日常生活中，人會在屋內四處活動，這種簡單的觸發(fā)方式會使自動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，通過使用者的語音命令來識別觸發(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，讓自動門真正進入住宅空間是眾多自動門制造商真正的夢想[3]。

現(xiàn)有家用自動門主要有以下兩大類：

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

2）采用物聯(lián)網(wǎng)技術，如通過手機APP 或者智能音箱進行控制，但是通過手機APP 的操作方式，其操作復雜，且并不實用；而智能音箱是通過識別使用者的語音來控制自動門的開關，如果在室內安裝了多個自動門，且室內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的識別命令，例如：智能音箱請打開爸爸臥室房間的門。另外，在屋內有噪音的情況下，智能音箱會很難準確接受并理解識別命令。另外，在實際運用階段中，無法保證以物聯(lián)網(wǎng)技術為介質的計算機網(wǎng)絡安全，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)資源丟失、用戶個人信息被竊取等網(wǎng)絡安全問題。使用時，智能音箱持續(xù)不斷的記錄房間內的聲音，將聲音上傳云端后，提取分析命令，再將結果發(fā)送到具體設備，這個過程所進行的數(shù)據(jù)交換可能會被不法分子竊取，這導致用戶的隱私安全受到了極大的威脅。

3 設計目標與實現(xiàn)方式描述

考慮到上文所提出的諸多問題，我們希望能設計一款操作簡單、符合日常使用需要、不會對用戶隱私造成威脅的新型家用自動門，最終目的是要讓自動門真正進入住宅空間，實現(xiàn)室內完全安裝。

首先考慮的是，舍棄物聯(lián)網(wǎng)技術，不使用智能音箱等方式進行識別。智能音箱通過移動智能終端應用軟件與云平臺進行交互時，需要進行數(shù)據(jù)的傳輸與交互，存在數(shù)據(jù)泄露、網(wǎng)絡攻擊的風險。另一方面，使用物聯(lián)網(wǎng)技術首先就要聯(lián)網(wǎng)，一旦斷網(wǎng)，整個系統(tǒng)就無法運轉，若是遇到突發(fā)狀況可能會導致屋內人員喪失求生機會。

第二點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門主要是通過兩種方式進行識別觸發(fā)，一種稱為觸發(fā)，即通過紅外感應裝置來檢測門前是否有人在。但由于在日常生活中住戶會在房屋走動，僅通過這種紅外感應裝置無法判斷使用者是否真的有開門需求，因為可能住戶只是從門前經(jīng)過，但自動門依然會感應到并運作。第二張稱為手動觸發(fā)，即使用者需要使用無線非接觸感應開關、無線感應地毯、遙控等等方式進行識別觸發(fā)。這種方式簡單的說就是有些多此一舉。本身室內門的開關就是一件十分簡單的動作，通過開關觸發(fā)自動門和直接用手開門，從操作性而言，二者其實沒啥差別。而從安裝價格來看，自動門則遠遠高于傳統(tǒng)門，沒有人會愿意花錢裝一個沒有什么必要的東西。

第三點是要符合人民日常的使用習慣。仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，不同房間的門每天的開關頻率不同例如：廁所門的開關頻率最高，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，往往臥室門會選擇扇門，而廚房和臥室會選擇移門，這些都是根據(jù)住戶需求選擇設計的。

圖1 自動扇門

圖2 自動移門

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，但通過語音識別觸發(fā)確實是一種既簡單又新奇控制方式。目前語音識別技術在自動門領域的應用，主要是通過聲紋匹配技術來進行身份識別，常使用在智能防盜門上。如果要在室內門上使用，則會如上文所提到的那樣需要有十分明確的指令，即打開或開啟哪個房間的哪個門。如僅用簡單指令如“開門”、“關門”、“把門打開”、“把門關上”，則會出現(xiàn)兩種情況：一是控制系統(tǒng)不知道是命令指向哪個門而都不工作，或者每個門都接收到命令，然后“一呼百應”。

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

圖3 原理演示圖

5 產(chǎn)品設計方案

因為家用門一般有扇門和移門兩種，但對于本產(chǎn)品而言，雖然門的開合方式不同，但控制邏輯時一致。產(chǎn)品的關鍵就是要為門的兩側劃出一個識別區(qū)域，只有人在識別區(qū)域內，自動門接收到語音指令這兩個條件均滿足，門才會做出相應動作。其余情況下，門都不工作。

本產(chǎn)品通過紅外感應裝著來為自動門劃定識別區(qū)域，門的兩側各設置了一個方向斜向下的紅外感應裝置。此時兩個紅外感應裝置的感應范圍構成了識別區(qū)域AB。

語音識別技術從應用的層面來說可以分為2類：一類針對一個特定的人被稱作特定人語音識別技術；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別技術。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別技術，這是因為本產(chǎn)品用于室內，沒有識別說話人身份的需求。

驅動方面和市面上常見的自動門相同，扇門通過電機帶動連桿控制門的開合，移門則通過電機驅動皮帶控制門在滑軌上移動。

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模型而非實物。一是由于制作自動門造價昂貴，再有實物體積龐大，缺乏安裝墻面，展示性并不高。原本的計劃是購買現(xiàn)有的自動門產(chǎn)品再按照項目需要進行改裝，但由于產(chǎn)品使用的控制器系統(tǒng)完全保密，我們沒能對其進行二次編程，最后放棄。

6.1 配件選用

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

6.2 功能設計

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

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

（2）常開模式：如門初態(tài)為關閉狀態(tài)，無論使用者站在門的哪一側，只要被紅外感應模塊檢測到并發(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，只要被紅外感應模塊檢測到并發(fā)出指令“常閉模式”，門關閉，并保持狀態(tài)；如門初態(tài)為關閉狀態(tài)則保持狀態(tài)。該模式末態(tài)為關閉狀態(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，只要被紅外感應模塊檢測到并發(fā)出指令“鎖門”，門關閉，狀態(tài)為上鎖狀態(tài)；如門初態(tài)為關閉狀態(tài)則直接進入上鎖狀態(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)時有效。無論使用者站在門的哪一側，只要被紅外感應模塊檢測到并說出預先設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 機械制作

作品全部采用SOLIDWORKS 軟件建模，單片機傳感器的外殼采用3D打印技術制作，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出。

圖6 機械設計裝配圖

6.4 作品實物照片

圖7 作品實物圖

7 創(chuàng)新特色

（1）將非特定人語音識別技術與紅外感應技術相結合，和傳統(tǒng)門相比更有科技感，體驗更好，而和現(xiàn)有的室內自動門相比，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)品進行了部分改進，增加部分的成本并不多，且容易實現(xiàn)，能快速投入生產(chǎn)。

（3）考慮到人的日常使用習慣，設計了幾種不同的模式，可自動關門、可常閉常開、更可以實現(xiàn)鎖門和密碼解鎖功能。

8 預期應用前景

但根據(jù)調查結果可以看出，有60.12%的消費者由于智能家居價格較為昂貴所以不會使用智能家居。由于增設了一個語音識別模塊，產(chǎn)品成本略有增加，使用體驗卻大大提升，整體來說性價比還是非常高的，由于產(chǎn)品是在現(xiàn)有產(chǎn)品上進行了改進，生產(chǎn)廠家可以快速完成產(chǎn)品設計并迅速投產(chǎn)，所以最終的售價和現(xiàn)有的自動門產(chǎn)品應該相差不大。

產(chǎn)品最理想的營銷方式應該是與房地產(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與銷售賣點的新砝碼。我們的產(chǎn)品就非常適合這種銷售模式，因為自動門后期安裝十分麻煩，比較適合精裝修房預先安裝，可以增加房屋的科技感，作為一大銷售賣點。

9 致謝

由于比賽時間跨度長，項目制作的難度大，十分感謝所有給予我指導的老師；所有幫助我完成項目的同學；感謝我的學校能給我參加這次比賽的機會；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。