基于物聯(lián)網(wǎng)的視覺暫留風(fēng)扇設(shè)計(jì)

郭茁寧 林亦寧 何勝陽(yáng)

摘 要：為了豐富現(xiàn)有基于視覺暫留校園的風(fēng)扇產(chǎn)品的展示效果，在深入研究電風(fēng)扇視覺暫留原理的基礎(chǔ)上，借助十六進(jìn)制碼的預(yù)存和動(dòng)態(tài)平鋪技術(shù)，將溫濕度傳感器所獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在風(fēng)扇上進(jìn)行了顯示。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一款基于視覺暫留的“貪吃蛇”游戲，寓教于樂，豐富了風(fēng)扇的功能。經(jīng)過(guò)硬件電路的實(shí)際測(cè)試，風(fēng)扇可以準(zhǔn)確的顯示溫濕度，“貪吃蛇”游戲正常運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：Arduino;物聯(lián)網(wǎng);視覺暫留;風(fēng)扇;紅外;DHT11;游戲

中圖分類號(hào)：TP399-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）01-00-04

0 引 言

歷史上最早使用視覺暫留效果的是電影的制作，電影屏幕上播出的圖片速度為每秒25張圖片，在視覺暫留現(xiàn)象的作用下，人眼會(huì)覺得這些間斷性播出的圖片是運(yùn)動(dòng)的。

目前，視覺暫留已經(jīng)擁有了較為成熟的相關(guān)技術(shù)，存在利用視覺暫留實(shí)現(xiàn)3D效果的全息3D智能炫屏。市場(chǎng)角度，在南方每到七八月份，氣溫通常會(huì)在35 ℃以上。而學(xué)校很少安裝空調(diào)，因此便攜式電扇在中小學(xué)生群體中有很大的市場(chǎng)。相比于普通的電扇，一款可以在扇面上形成滾動(dòng)圖案，甚至可以玩一些簡(jiǎn)單游戲的便攜式電風(fēng)扇顯然在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)上更占優(yōu)勢(shì)。

到目前為止，具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品仍停留在“高大上”的層面。雖然有相關(guān)的成品，但對(duì)于普通用戶不友好。此外，市場(chǎng)上現(xiàn)有存在的基于視覺暫留的小風(fēng)扇產(chǎn)品僅僅利用簡(jiǎn)單的LED燈形成固定、單調(diào)的字樣或圖樣。也正因如此激發(fā)了筆者研究設(shè)計(jì)一種基于Arduino和視覺暫留技術(shù)的具有游戲體驗(yàn)的小風(fēng)扇。該風(fēng)扇應(yīng)用的人群十分廣泛，老少皆宜，小朋友可以通過(guò)游戲激發(fā)對(duì)科技的好奇心，老人可以通過(guò)游戲解悶，具有極大的潛力和廣大的消費(fèi)人群，可以說(shuō)是一項(xiàng)非常新穎的風(fēng)扇產(chǎn)品。

1 應(yīng)用理論基礎(chǔ)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)部署

感知層：物聯(lián)網(wǎng)分為三層結(jié)構(gòu)，在一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，感知層是根基，它能通過(guò)各種傳感器的使用來(lái)檢測(cè)和采集設(shè)定范圍內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。本設(shè)計(jì)的感知層包括了紅外和溫濕度在內(nèi)的傳感器。

網(wǎng)絡(luò)層：本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)層主要由紅外傳輸和溫濕度傳輸組成。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是為多個(gè)模塊之間的提供通信服務(wù)。在本項(xiàng)目中網(wǎng)絡(luò)層主要是為溫濕度及紅外模塊提供它們與Arduino之間的通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的作用：一是為控制層提供有效的數(shù)據(jù)信息服務(wù);二是及時(shí)地提供給用戶有效的，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

控制層：本項(xiàng)目通過(guò)Arduino來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的控制。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的編程基于Arduino開源開發(fā)環(huán)境，可以兼容多種開發(fā)環(huán)境，具有豐富的函數(shù)庫(kù)可以調(diào)用。將所需的模塊直接連接到其引腳上，包括紅外收發(fā)模塊、溫濕度模塊，這里直接調(diào)用現(xiàn)有的源代碼，并將重點(diǎn)放在游戲功能的實(shí)現(xiàn)上。

1.2 傳感器

1.2.1 紅外傳感器：遠(yuǎn)程操控

紅外通信成本低、體積小，僅需微小的發(fā)光二極管，模塊化使用可以和Arduino很好的配合，大大簡(jiǎn)化的通信的難度。紅外遙控器向紅外接收器發(fā)射一系列二進(jìn)制脈沖，發(fā)射的光信號(hào)在紅外接收頭內(nèi)的接收器被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器的放大后，再進(jìn)行濾波與解調(diào)，得到紅外遙控器發(fā)出的原始脈沖。波形整形，并通過(guò)接收器的信號(hào)輸出腳輸入電器。紅外通信本質(zhì)來(lái)說(shuō)，為對(duì)二進(jìn)制脈沖碼所代表的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)的過(guò)程。

1.2.2 溫濕度傳感器：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目融合了DHT11傳感器。DHT11是一種把溫度和濕度模塊融為一體的高度集成的傳感器，其性價(jià)比高、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)。傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的溫度濕度，產(chǎn)生不同的電壓，并將電壓的變化輸送給Arduino，對(duì)比分析傳送來(lái)的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成溫濕度信息，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫濕度的信息打印到風(fēng)扇的LED流水燈上。Arduino與紅外接收管連接電路如圖1所示，Arduino與DHT11連接電路如圖2所示。

1.3 視覺暫留理論

視覺暫留現(xiàn)象：物體反射周圍的光并將其傳入人眼之中，通過(guò)視網(wǎng)膜送入腦神經(jīng)，光成像完成后，實(shí)物形成的圖像不會(huì)瞬間消失，稱為“后像”。Arduino能精確控制時(shí)序，在這種效果之下，一列RBG流水燈不斷地旋轉(zhuǎn)，不斷讀取程序中的內(nèi)容并通過(guò)閃爍頻率的變化顯示出預(yù)設(shè)的圖形、文字和游戲界面。在本項(xiàng)目中能夠在動(dòng)態(tài)、旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇上形成靜態(tài)的圖形和動(dòng)態(tài)的游戲，動(dòng)靜結(jié)合是這個(gè)項(xiàng)目的亮點(diǎn)所在。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 創(chuàng)意與特點(diǎn)

2.1.1 “貪吃蛇”游戲功能：傳統(tǒng)電器娛樂化

將視覺暫留技術(shù)與小游戲相結(jié)合可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的小游戲。一般的貪吃蛇等游戲都要在普通的直方屏幕上進(jìn)行，但這樣的“屏幕”卻超出了一般人的視野范圍，富有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有的獨(dú)特感官享受，清涼的同時(shí)帶來(lái)別樣的樂趣，風(fēng)扇這一傳統(tǒng)的電器能煥發(fā)出新時(shí)代的神奇魅力。

貪吃蛇的游戲設(shè)計(jì)：“上”“下”“左”“右”四個(gè)方向分別可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的紅外信號(hào)進(jìn)行控制。

“視覺暫留風(fēng)扇”的特色設(shè)計(jì)在于如下幾方面。

（1）它擁有環(huán)形的屏幕，可以做到普通直方屏幕難以實(shí)現(xiàn)的奇特、創(chuàng)新功能，在本次設(shè)計(jì)中它實(shí)現(xiàn)了貪吃蛇無(wú)限旋轉(zhuǎn)的特色功能。

（2）它可以依據(jù)轉(zhuǎn)速加快和減慢調(diào)節(jié)“顯示屏幕”的長(zhǎng)度，可以依據(jù)需要擴(kuò)展和縮小屏幕。

（3）單色流水燈可以鮮明地顯示，達(dá)到更富有沖擊力的清爽的視覺效果。

“貪吃蛇”游戲使用演示如圖3所示。

2.1.2 溫濕度實(shí)時(shí)顯示：創(chuàng)新形式展現(xiàn)大眾化功能

風(fēng)扇的使用建立在比較燥熱的溫濕度條件下，設(shè)計(jì)中，將溫濕度傳感器與風(fēng)扇結(jié)合，利用“顯示屏”將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度呈現(xiàn)出來(lái)。

利用旋轉(zhuǎn)屏幕，可以顯示“TEMP：XX”和“HUMI： XX”，這樣可以使用戶很直觀地悉知周圍的溫度和濕度。這樣的功能可以讓身處在高溫干燥中的用戶更愿意使用風(fēng)扇，提高產(chǎn)品效力，充分發(fā)揮其本質(zhì)功能。溫濕度實(shí)時(shí)顯示使用演示如圖4所示。

2.2 物理與電子硬件框架

2.2.1 核心組成部件

風(fēng)扇由Arduino核心板、電池、流水燈、扇葉、紅外傳感器、溫濕度傳感器、馬達(dá)、變速器等電子元器件作為核心組成部件，構(gòu)成基本物理框架如圖5所示。圖5中：1為馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，連接在Arduino主板的下方;2為變速器，連接馬達(dá)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，控制畫布大小和調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，也可以設(shè)置順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);3為紅外遙控器，與紅外傳感器進(jìn)行連接;4為流水燈，進(jìn)行有規(guī)律閃爍，勾勒出設(shè)定圖案;5為風(fēng)扇主體，進(jìn)行指定操作。風(fēng)扇成品鳥瞰圖如圖6所示。

2.2.2 流水燈“扇葉”與Arduino結(jié)合設(shè)計(jì)

在此將流水燈“扇葉”與Arduino結(jié)合設(shè)計(jì)。將8個(gè)二極管的流水燈接上Arduino后，可以實(shí)現(xiàn)高速有規(guī)則閃爍。隨著周期和指令等自變量不同，可以在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)顯示出制定圖形。

圖7所示為數(shù)字“8”的二進(jìn)制碼圖像，對(duì)應(yīng)編碼為“0xFF，0x91，0x91，0xFF，0x00”;有筆墨的地方設(shè)定為“1”，沒有則設(shè)定為“0”;縱向8個(gè)格子進(jìn)行壓縮，從8位2進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為2位十六進(jìn)制碼，可以在Arduino的程序中用PORTD輸出。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)的速度與平衡調(diào)試

在調(diào)整配重的基礎(chǔ)上，風(fēng)扇平衡旋轉(zhuǎn)。給馬達(dá)接上調(diào)速器，調(diào)節(jié)調(diào)速器的滑動(dòng)變阻器通過(guò)加快和減緩速度，能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)張和收縮屏幕的效果。多組數(shù)據(jù)可利用Matplotlib在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上繪制出關(guān)于轉(zhuǎn)速和寬度的直觀散點(diǎn)圖，并且進(jìn)行擬合，研究出合適的轉(zhuǎn)速和地圖畫布大小。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和屏幕寬度關(guān)系散點(diǎn)和擬合線圖如圖8所示。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的測(cè)試、實(shí)際操作中視覺觀看的舒適度、風(fēng)扇平穩(wěn)程度以及程序需要，這里設(shè)定平行半徑方向長(zhǎng)度為8、垂直半徑方向“屏幕寬度”（即表中的Width）為40，并設(shè)置每次顯示暫停2 ms達(dá)到穩(wěn)定清晰的效果。

2.3 軟件程序開發(fā)

2.3.1 紅外控制顯示指定圖像

紅外控制顯示指定圖像是風(fēng)扇最為基礎(chǔ)的功能，涉及到硬件和軟件的結(jié)合。這個(gè)功能使風(fēng)扇從傳統(tǒng)的單一功能過(guò)渡到了多元化娛樂功能。圖9所示為紅外控制顯示的實(shí)現(xiàn)流程。

2.3.2 “貪吃蛇”游戲?qū)崿F(xiàn)

“貪吃蛇”游戲是電腦上最為基礎(chǔ)的游戲之一，而在風(fēng)扇上實(shí)現(xiàn)這一游戲無(wú)疑是傳統(tǒng)電器娛樂化和科技化的重大突破。圖10為“貪吃蛇”的實(shí)現(xiàn)流程。

首先導(dǎo)入紅外庫(kù)、設(shè)置端口;再解碼紅外十六進(jìn)制編碼后進(jìn)行預(yù)設(shè)儲(chǔ)存;存儲(chǔ)方式使用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，流動(dòng)儲(chǔ)存蛇的身體坐標(biāo)，模塊化編程初始化鏈表，初始化地圖，判斷地圖邊界，創(chuàng)建新的食物等必要函數(shù);蛇吃食物后，會(huì)創(chuàng)建新的食物，并且加長(zhǎng)，也會(huì)應(yīng)有4個(gè)不同的函數(shù)向四個(gè)方向移動(dòng);移動(dòng)完成后，繪制、壓縮地圖，將地圖轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制碼，打印地圖，使流水燈閃爍，能夠通過(guò)視覺感官感受蛇的運(yùn)動(dòng);循環(huán)執(zhí)行“貪吃蛇”游戲。

2.3.3 溫濕度實(shí)時(shí)顯示

溫濕度實(shí)時(shí)顯示是在DHT11傳感器接收、傳輸?shù)幕A(chǔ)上，結(jié)合流水燈的壓縮輸出，在風(fēng)扇顯示屏上顯示出溫度和濕度英文縮寫字樣以及所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。圖11為溫濕度實(shí)時(shí)顯示的實(shí)現(xiàn)流程。

溫濕度實(shí)時(shí)顯示實(shí)現(xiàn)流程：

（1）導(dǎo)入基礎(chǔ)庫(kù)和溫濕度函數(shù)庫(kù)，初始化、設(shè)置頻率9 600;

（2）準(zhǔn)備由pin10進(jìn)行信號(hào)接收和傳輸：設(shè)置接口、檢測(cè)響應(yīng)結(jié)果、高電平則傳輸連接建立，設(shè)置pin2接口模式為Output，TX低電平20 ms，RX高電平40 μs與設(shè)置2號(hào)接口模式為Input，準(zhǔn)備接收高電平響應(yīng)信號(hào)，間歇性讀取溫濕度數(shù)值;

（3）運(yùn)行讀取bit1～40存儲(chǔ)值;

（4）進(jìn)行可視化的操作，格式轉(zhuǎn)化輸出：溫度、濕度、校對(duì)碼，溫濕度顯示的模塊中預(yù)存儲(chǔ)字母和數(shù)字的16進(jìn)制編碼、壓縮圖像、打印輸出。

3 市場(chǎng)化和工業(yè)化設(shè)想

3.1 市場(chǎng)化

目前該領(lǐng)域市場(chǎng)上存在有相似的產(chǎn)品主要面向廣告，作為L(zhǎng)ED屏幕之外一個(gè)宣傳形式的補(bǔ)充。而本設(shè)計(jì)則面向大眾用戶，提升風(fēng)扇的娛樂性，賦予風(fēng)扇有別于傳統(tǒng)概念的新奇形象。若該設(shè)計(jì)能面向市場(chǎng)，應(yīng)該包含以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：

（1）設(shè)定面向具體用戶，比如兒童和老人，甚至針對(duì)不同的用戶進(jìn)行功能的補(bǔ)充以及概念的包裝;

（2）提高設(shè)計(jì)的便攜性和方便性;

（3）努力貼近現(xiàn)有風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，加速融入大眾生活的速度;

（4）降低單個(gè)產(chǎn)品成本和售價(jià)，迎合普通用戶。

在這樣的技術(shù)市場(chǎng)化基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的商業(yè)模式，將超乎人們想象的設(shè)計(jì)帶入人們的視野，嘗試體驗(yàn)科技帶來(lái)的魅力。這樣一款市場(chǎng)化后的產(chǎn)品會(huì)為傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)新的面貌，風(fēng)扇這一古老、單一的形象會(huì)在科技的光環(huán)下演繹出新一番的絢麗。

3.2 工業(yè)化

該風(fēng)扇的功能實(shí)現(xiàn)依賴于底層的物理框架，對(duì)于物理框架的設(shè)計(jì)，有幾點(diǎn)重要的特別考慮和實(shí)驗(yàn)成果：

（1）將Arduino核心主板和電池居中，且聚攏、減小距離，可以有效提高風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性;

（2）用適當(dāng)密度的等重材料板，與流水燈進(jìn)行大小匹配，對(duì)稱安裝，在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)大大減少振動(dòng)和波動(dòng);

（3）采用直流電池，并將所有器件安裝于核心板之上，避免在旋轉(zhuǎn)時(shí)纏繞在一起;

（4）采用小馬達(dá)，降低重心，有利于平衡。

若該設(shè)計(jì)能進(jìn)入工業(yè)量產(chǎn)，以下幾點(diǎn)需要加以改進(jìn)和完善：

（1）縮小流水燈距離，使顯示畫面更加飽滿、充實(shí)，尤其是顯示貪吃蛇是縱向方向能連續(xù)顯示;

（2）將紅外居中，并置于容易接受信號(hào)的位置，能提高游戲操控的靈敏度;

（3）將馬達(dá)嵌入，并且設(shè)置變速器，可以進(jìn)行人工調(diào)試。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以視覺暫留為原理的電風(fēng)扇，并且依據(jù)市面原有的產(chǎn)品原理進(jìn)行改進(jìn)和豐富功能，設(shè)計(jì)“貪吃蛇”游戲和溫濕度顯示等功能。以旋轉(zhuǎn)的電風(fēng)扇葉作為顯示屏，富有區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的獨(dú)特感官享受，基于此設(shè)計(jì)的“貪吃蛇”游戲的創(chuàng)意為;將溫濕度傳感器與風(fēng)扇結(jié)合，利用“顯示屏”將傳感器檢測(cè)到的溫度和濕度視覺上呈現(xiàn)出來(lái);基于Arduino進(jìn)行開發(fā)，充分利用了Arduino可延展性高、易于基礎(chǔ)操作的特征;貪吃蛇的功能實(shí)現(xiàn)程序結(jié)合了游戲開發(fā)的嵌入式設(shè)計(jì)，以紅外傳感器作為傳輸游戲指令的媒介，進(jìn)行創(chuàng)意的形式展現(xiàn);溫濕度顯示功能借勢(shì)潮流的啟發(fā)，結(jié)合風(fēng)扇和溫濕度進(jìn)行功能開發(fā)，運(yùn)用單接口的物聯(lián)技術(shù)和十六進(jìn)制預(yù)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)傳輸技術(shù)完成實(shí)現(xiàn)。在研究結(jié)束時(shí)，指出了該風(fēng)扇市場(chǎng)化的方向和拓展關(guān)鍵，以及工業(yè)化的改進(jìn)方案的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)期設(shè)計(jì)，結(jié)合嵌入式設(shè)計(jì)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)面向大眾進(jìn)行研究開發(fā)。總體來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)出了擁有完整體系的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新作品—基于Arduino的智能人機(jī)交互風(fēng)扇。這項(xiàng)研究不但完成了突破傳統(tǒng)印象的感官設(shè)計(jì)，更發(fā)揮了核心板潛在的功能運(yùn)用，研究并結(jié)合了軟件和嵌入式的功能實(shí)現(xiàn)，將一個(gè)新穎的風(fēng)扇模型展示在消費(fèi)者面前。

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