基于多感官刺激的新型叫醒裝置設計*

韓博旭，周仕齊，李振雷，李 陽，張蓮潔

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著社會發(fā)展力的不斷提高，當代年輕人的生活節(jié)奏逐漸加快，人們越來越看重工作效率與時間規(guī)劃。為此，類似于鬧鐘這一類的提醒裝置成為了生活的必需品。在居家的環(huán)境之下，人們大多會使用鬧鐘設置特定的時間來提醒自己早晨起床，以便到第二天設定的時間時，鬧鐘會按計劃響鈴，使用者聽到鈴聲后從睡夢中醒來并且關閉鬧鐘。

很多上班族由于加班和壓力大，導致不同程度的睡眠不足或睡眠障礙，在聽到鬧鈴過后并不清醒，關閉鬧鐘后也并沒有按照預想順利起床，忍受不住困意不自主地繼續(xù)睡下。此類情況經(jīng)常發(fā)生在年輕群體之中，導致使用者因為沒有按時起床而錯過重要的事情，打亂了一天的安排，從而產(chǎn)生負罪感或消極情緒。此外，現(xiàn)如今市場上流行的鬧鐘與叫醒裝置多利用鈴聲來提醒使用者達到設定的時間，傳遞刺激信號的信息相對單一。對于聾啞人和有聽覺障礙的老年人等特殊群體，大多數(shù)的鬧鐘缺少與用戶進行交互的媒介，從而導致失效。

為此，本文提出了對現(xiàn)如今鬧鐘的改進設計，在保留鬧鐘與鈴聲的同時，通過增加鬧鐘對用戶刺激的形式，也就是增加對不同感官的刺激，來實現(xiàn)對入睡中的使用者的預蘇醒，讓使用者可以有更舒適的起床感受。

1 現(xiàn)有叫醒裝置產(chǎn)品問題分析

隨著消費者消費需求的提升，智能產(chǎn)品消費迅速增長。通過前期對市場的分析與調研，發(fā)現(xiàn)在智能喚醒方面仍存在許多可改善的空間，在工業(yè)設計程序與方法里存在的一種方法，將兩種看似不想干的事物進行結合，即將虛擬嗅覺與喚醒進行結合便可以產(chǎn)生一種全新的智能叫醒裝置，其中虛擬嗅覺是指在用戶與虛擬環(huán)境的人機交互過程中，虛擬環(huán)境可讓用戶聞到逼真的氣味[1-2]。相比于傳統(tǒng)鬧鐘的直接與粗暴，智能嗅覺鬧鐘在各個方面都擁有許多小而美的優(yōu)點。過去為了發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術而去研究的數(shù)字氣味技術和虛擬氣味技術在現(xiàn)今也逐漸成熟。20世紀60年代虛擬嗅覺研究就已經(jīng)開始了。“虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之父”Morton Heilig研制出“Sensorama”氣味容器，是虛擬嗅覺系統(tǒng)的鼻祖和雛形。直到1996年，Barfield W等[3]學者指出：“雖然嗅覺給人們提供了大量的信息，但是虛擬環(huán)境中嗅覺技術研究被大家忽視了”。1999年，Zybura M等[4]學者再次強調虛擬環(huán)境中嗅覺技術研究的重大意義及其巨大的應用前景，并認為虛擬現(xiàn)實的嗅覺技術研究在不久的將來會取得重大突破。

目前市場中存在的叫醒裝置（鬧鐘）大部分為負面反饋，即給予人不適的刺激，以強迫人們醒來。而本裝置通過進一步的設計，使人們進行自主的選擇，讓用戶擁有更多的選擇的權力，不同的時候選擇不同的喚醒方式，無論是香氛氣味抑或是刺激性氣體，也無論是車鳴聲鬧鈴抑或是鳥叫聲鬧鈴。由于這樣可以最大限度地解決人們被喚醒時的不適感，通過多感官（嗅覺、聽覺或者觸覺）不同的適度刺激來改善傳統(tǒng)叫醒裝置與人的交互方式，因此便于解決目前叫醒裝置存在的痛點。

2 新型叫醒裝置設計實現(xiàn)

2.1 提高用戶體驗的設計原則

現(xiàn)如今，產(chǎn)品不再只局限于滿足使用者所需要的功能，同時也要給使用者更加舒適的體驗感。ISO 9241-210-2010《人機交互的人類工效學.第210部分:交互式系統(tǒng)用以人為主的設計》將用戶體驗定義為“人們對于針對使用或期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或者服務的認知印象和回應”[5]。

在現(xiàn)如今，為了提升用戶的體驗感，可以采用多種產(chǎn)品與使用者的交互方式，從不同的角度和方式將產(chǎn)品表現(xiàn)出的信息傳達給用戶，設計者更加關注用戶在接收信息的過程中的心情變化與感受。

在此次設計中，鬧鐘作為一個產(chǎn)品的第一觀感來自于視覺，其功能的重要體現(xiàn)在于叫醒正在睡眠的使用者的方式。在用戶睡眠時聽到尖銳的聲響而被驚醒時，用戶情緒在極短的時間內達到低谷，為了緩和用戶的情緒，本裝置利用多種感官刺激的方式，將叫醒信號緩和，進而改善鬧鐘的使用體驗。

2.2 叫醒裝置情感化設計的體現(xiàn)

情感化設計是為人服務的，“人”是最為核心的因素，重點在于用人性化的情感思想去思考和解決問題。為了讓使用者在反思層與產(chǎn)品產(chǎn)生共鳴，產(chǎn)品基于使用者的反饋，應當更加人性化，避免類似于驚嚇的行為。多感官刺激型鬧鐘將使用者由睡眠至蘇醒的時間周期加長，在鈴聲信號出發(fā)之前，利用燈光由暗到明亮的過程給使用者提供預蘇醒的時間，與此同時利用小型發(fā)電機帶動小型風扇，吹出微風對人的面部實現(xiàn)觸覺刺激以及負載的香薰片的味覺刺激。多種途徑與渠道的交互方式，增加了產(chǎn)品與人的交流維度。

2.3 叫醒裝置智能化設計的體現(xiàn)

所謂智能化設計，也就是隨著人工智能的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品可以實現(xiàn)通過人類智能才能完成的工作[6]。為了讓產(chǎn)品可以為使用者提供更為豐富的用戶體驗方式，以單片機為總控制，結合數(shù)據(jù)與代碼，控制產(chǎn)品的行動。對于多感官刺激型鬧鐘的設計，智能化設計主要體現(xiàn)為對視覺、聽覺、嗅覺、味覺的信號的啟動與結束的調節(jié)以及其信號發(fā)出時間的配合。

與此同時，起床鬧鐘屬于家居產(chǎn)品類別，其主要的使用場景為室內，例如臥室、客廳等場景。考慮到用戶睡眠時不愿意被異物打擾，故產(chǎn)品需要與使用者保持一段距離。為了讓鬧鐘的各種信號刺激可以經(jīng)過一段距離傳遞到睡覺時的使用者，鬧鐘上的光源與風扇口需要盡可能朝向使用者。使用者在睡眠狀態(tài)下并不是固定在相同的位置，而是有可能與設定鬧鐘時的位置相比有移動，為此，需要該鬧鐘利用傳感器感知在設定時間下使用者的位置。視覺刺激信號的主要接收器官為眼部，而嗅覺刺激信號的主要接收器官為鼻部，縮短信號源與接收者的距離可以提高信息傳遞的效率，因此，其傳感器應自動識別使用者面部，利用單片機控制舵機，實現(xiàn)角度偏移朝向使用者面部。圖1為多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置外觀圖。

圖1 多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置外觀圖

3 叫醒裝置硬件組成

圖2為多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖。

圖2 多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖

1）單片機：作為一種集成在芯片上的嵌入式微控制器，它是集成計算機電路芯片。單片機由存儲器、中央處理器、運算器、控制器等部分組成[7]。用來控制整個系統(tǒng)的工作。由圖2可知，單片機在多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖中起到類似大腦的作用，它向整個系統(tǒng)中各個硬件部分發(fā)出控制信號，來控制部件是否進行工作。

2）12 V電池：采用12 V電池直流電源，為整個系統(tǒng)提供能量來源。

3）直流轉壓模塊：將12 V直流電壓轉化為5 V、3.3 V等直流電壓。得到一系列可用直流電壓，作為各個模塊的電源。

4）繼電器控制模塊：由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成[8]。繼電器起到類似開關的作用。當時間達到用戶設定的起床時間時，通過單片機產(chǎn)生控制信號，利用繼電器將響鈴模塊、香薰模塊、風扇模塊打開，實現(xiàn)對用戶的多感官刺激叫醒。

5）響鈴模塊：采用賀卡錄音芯。該模塊內含存儲器，將提前錄制好的鈴聲存入芯片，當接收到單片機發(fā)出的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動響鈴模塊，播放提前準備好的鈴聲，實現(xiàn)最基本的聽覺刺激叫醒。

6）香薰模塊：采用加熱香薰片的形式。將香薰片附近放置電阻絲，當接收到單片機的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動香薰模塊，電阻絲對香薰片進行加熱，香薰片受熱后放出氣味，同時可利用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術，即改變輸出方波的占空比，控制電阻絲的溫度，控制氣味放出的速度，即在一定程度上控制室內氣味濃度，實現(xiàn)對用戶的嗅覺刺激叫醒。

7）風扇模塊：采用L298N電機驅動模塊和帶風扇葉的小型直流電機。當接收到單片機的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動風扇模塊，使直流電機開始工作。利用PWM技術，使得單片機輸出不同占空比的方波，得到不同的電機轉速，即得到不同的擋位的風力，從而實現(xiàn)對用戶的觸覺刺激叫醒。

8）時間顯示模塊：利用STM32F407單片機自帶的液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），來實現(xiàn)實時時間顯示功能。

9）人體位置追蹤模塊：由紅外傳感器、舵機云臺組成。當達到用戶預先設置的起床時間時，舵機云臺開始帶動紅外傳感器旋轉，使得紅外傳感器可以檢測捕捉到人體位置信息。當捕捉到人體位置后，舵機云臺停止轉動，由于小型風扇與紅外傳感器同方向，因此使得鬧鐘可以將風扇對準人，實現(xiàn)對用戶的觸覺刺激叫醒。

通過紅外傳感器檢測是否在規(guī)定距離內有人存在，將檢測信號傳遞給單片機，利用單片機控制舵機云臺旋轉，舵機云臺旋轉帶動紅外傳感器轉動，使得紅外傳感器檢測位置發(fā)生改變，當紅外傳感器檢測到在規(guī)定距離內有人存在時，單片機對檢測信號進行邏輯判斷后，將控制信號傳給舵機云臺，控制其停止轉動，這樣可以使得風扇對準人體進行吹風；也可對單片機進行設置，控制舵機到預定時間時將風扇轉至特定位置，對特定人進行吹風而不影響其他人。

各個硬件之間的協(xié)調工作關系：在本裝置中，由12 V電池直流電源和直流轉壓模塊作為電源，向整個系統(tǒng)提供適用于各個器件的直流電壓和能量；單片機作為本裝置中的“大腦”，其控制舵機云臺、時間顯示模塊、香薰模塊、響鈴模塊、風扇模塊，其中香薰模塊、響鈴模塊和風扇模塊使用繼電器控制模塊，起到保護和開關作用；通過舵機云臺的轉動改變紅外傳感器和風扇模塊的角度，使得紅外傳感器可以檢測到人體位置信息，將信息傳遞回單片機，這樣作為“大腦”的單片機控制風扇模塊，從而進行定向吹風操作。圖3為硬件之間的協(xié)調工作原理圖。

圖3 硬件之間的協(xié)調工作原理圖

4 結束語

以單片機控制為基礎，以提高鬧鐘使用者的用戶體驗為目標的感官刺激型新型鬧鐘，實現(xiàn)緩和鬧鐘使用者疲勞感的目的，使其更順利舒適地清醒。在保證產(chǎn)品設計已經(jīng)實現(xiàn)物質使用功能的基礎上，從心理、生理、物質以及精神等方面更大范圍地滿足了用戶的審美需求，也彌補了傳統(tǒng)鬧鐘對老年人與聽力障礙人群作用降低的漏洞，達到了更佳的服務模式效果。