基于3D打印與單片機的智能家居系統模型設計

秦若洲　楊理哲　馬云吉

摘 要：在傳統工業設計模式下，創新產品從想法到樣品實體的過程中，往往需要用很大開銷來給樣品開模。而使用3D打印技術生產樣品，可以節省大量的開模成本，大幅提高設計容錯率。與傳統的只在理論上計算樣品的各方面數據相比，3D打印出來的模型可以更直觀的給設計師提供參考，更有利于新產品的功能實現。智能家居從設計到樣品，需要大量的實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打印技術可以低成本快速的做出樣機并投入市場進行測試。

關鍵詞：3D打印 PWM 舵機 智能家居

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

在新產品樣品試用階段，即使市場部反饋的用戶需求發生調整，要放棄、修改、增加部分功能，對于傳統開模產品來說是需要重新設計，重新開模，重新生產的。而3D打印的樣品只需要更改數字模型，然后重新打印對應部件即可，可以節省大量開銷。而像智能家居這種高度模塊化的產品，在設計上也非常受傳統創新模式的資金限制與影響，導致創新發展受到局限。

3D打印技術在創新產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品，跟傳統技術比起來有著絕佳的優勢。對需求的變化極度敏感、需要應對高度個性化的需求的產品，都可以采用3D打印技術來生產樣品并投入市場進行測試，且從中獲取足夠的數據反饋也能及時用于下一代產品的升級與改進。

高度個性化需求，即不同用戶的特殊需求，傳統的工業產品千篇一律，無法滿足小眾化的需求，而這一部分被傳統工業模式遺忘的小群體，隨著消費升級，影響力逐漸變大。而3D數字建模與3D打印技術，就恰好可以滿足這部分人的需求，填補傳統工業模式上的不足。

1 裝置介紹

運用3D數字建模與3D打印技術，并結合單片機編程，做出了一個擁有相對完善的智能家居系統的房屋模型，其能實現完整且基礎的智能一體化功能，并支持用戶的私人個性化特殊設置。

本智能家居系統模型包括配合硬件檢測的部分和通過物聯網平臺收發數據的部分。在接收器接受到特定信號時，直接通過內部硬件連接反應器以作出相應反應，并可將信號上傳至網絡，以供用戶查看與主動控制。

2 模型結構的設計

包括對室內環境改變的各種傳感器；對應的自動反應器；中央控制器；3D打印的主體。室內外的傳感器接收環境變化或者接收到信號，中央控制電路可產生pwm信號控制相應的反應器作出響應。

2.1 外觀設計

總體設計風格為現代化別墅，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關閉?？捎捎脩糁鲃舆b控開關窗戶。

實時檢測屋內溫度濕度，并用中央空調進行調控至舒適環境。啟動中央空調時會自動關閉門窗、并向用戶發送信息。用戶可設置自動調節的觸發條件、以及遙控中央空調。

檢測大門、窗戶是否受到強沖擊，判斷是否有人硬闖，激活蜂鳴器、發送警示信息至用戶手機。震動強弱可由用戶自定義設置。

實時檢測屋內外光線強弱，自動調整屋內若干組燈的亮起與熄滅?？捎捎脩羰謩硬僮髡{控光線。

實時檢測室內液化氣（煤氣）含量，一旦超標激活蜂鳴器，發送警示信息至用戶手機。

2.3 控制電路

中央控制芯片主要采用 60s2，通過它來根據需要移動的角度、傳感器傳入的不同參數，來產生pwm信號進行舵機組的轉動、或者對應反應器的工作。遠程操控通過藍牙以及GPRS模塊進行數據傳輸。

3 3D數字建模

全程采用機械專業SolidWorks進行一體式設計與建模，并軟件中進行框架結構的動態測試，使模型組件之間能高度契合。

使用SolidWorks對以創建的數字模型上進行壓力測試、碰撞檢測、流體測試，以保證設計出來的模型可應對各種情況而不出故障。

3.1 模塊化設計

設計采用模塊化方式，不同功能區域有對應的組件。如果部分模塊功能失效或需要安裝新的模塊，都極易更換與擴展。線路以及各元器件都藏于墻壁內腔、地底內腔中，在墻體拼接時會有對應的插口，接上即可，此設計大幅提高了設計時的容錯率。

3.2 特殊結構

3D數字建模時，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，可及時排查，按模塊拆卸并更換線路，可以大幅節省成本。

通過適當的調整內部機械傳動結構，以把舵機等反應裝置集中在模型底部。這樣的設計不僅利于檢修，也可避免故障時帶來的不良后果。

3.3 對企業優勢

據統計，3D打印的樣品和傳統開模樣品成本相比，前者成本大致只有后者的5%～20%。公司在開發新產品時，這種方式能在相同的資金支持下提供更大的創新空間。

4 智能控制系統

別墅內部各組件可自動控制，也可通過連接對應手機APP藍牙進行遠程遙控和設置參數。用戶可通過客戶端及時查看房屋信息，若有緊急情況可及時通知用戶。

4.1 智能控制核心程序

在用戶端不進行主動調控與設置時，整個房屋默認處于全自動管理狀態，由各個傳感器模塊分別實時檢測屋內外環境，并自動調控屋內環境至宜居水平。

4.2 主動控制系統

用戶端可設置默認偏好，如適宜溫度、濕度、光亮等參數，保存設置后中央控制器可自動將默認擬定值轉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。

用戶端可通過遠程遙控實行即時開關窗、窗簾，溫度濕度調控等，不再依靠各廠家的各型號遙控器，實現真正意義上的智能家居一體化。

5 發展方向

該模型還可添加物聯網模塊，并結合大數據，實現更高度的智能化，甚至能將人工智能助手加入整個智能家居系統中。

未來隨著該技術的成熟與普及，3D打印技術與各行業會有更高的契合，能給社會創造更高的價值。不僅可以對企業的產品生產進行服務，還能向普通個人用戶提供模型定制與打印。

6 結語

與傳統的工業生產模式相比，3D打印生產的模型或者產品樣機能更好的適應市場需求的多變性，并且成本更低更具靈活性。不僅是在智能家居領域，其他行業的新產品開發也同樣適用。

伴隨著工業4.0時代的到來和消費升級，傳統工業化產品漸漸無法適應消費者們多變的需求，而3D打印的產品從設計到迭代升級都可以在極短時間內完成一次開發周期，并且在同樣的資金空間內有更多的試錯機會。

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