智能家居就寢模式的手環設計

朱正坤,丁 旭,2,陳佐坤,2

(1.江西環境工程職業學院,江西 贛州 341000;2.贛南師范大學,江西 贛州 341000)

0 引言

智能家居作為物聯網技術的主要應用之一,已經逐漸進入人們的生活。然而,智能家居在實際應用中,存在學習難、操作復雜、不同設備難以實現場景聯動等問題。本文分析了場景實現中物聯網的感知層、網絡層、應用層,設計了智能手環的硬件、軟件及外觀。本文通過研究智能手環與智能家居設備的聯動,為智能家居就寢模式提供一種自動化便捷性的解決方案,給用戶帶來更舒適的睡眠環境和更智能的就寢體驗。

1 物聯網及智能家居技術簡述

物聯網技術是將傳感器、設備和網絡連接起來,實現互聯互通的技術體系。通過物聯網技術,可以實現智能化的監測、控制和互動。通過數據采集、傳輸和分析,物聯網可以提高便利性和安全性。物聯網的發展推動了智能化的進程,改變了人們的生活、工作和生產方式[1]。智能家居是指通過將傳統的家居設備與互聯網、物聯網技術相結合,實現遠程控制、自動化操作和智能化管理的家居系統。智能家居技術是支撐智能家居系統運行的關鍵技術,包括傳感器技術、數據通信技術、人工智能技術等。通過智能家居技術,可以實現智能設備之間的互聯互通,實現自動化和智能化的場景控制和智能服務[2]。

2 智能手環設計

2.1 硬件設計

本設計中硬件部分主要由傳感器模塊、處理器模塊、接收器模塊和顯示模塊組成。智能手環的總體框架,如圖1所示。傳感器模塊可以監測用戶的心率信息,將其采集并轉換為電信號;處理器模塊負責處理和記錄接收到的電信號;接收器模塊根據用戶的操作選擇相應的數據連接傳輸方式,以實現數據連接和傳輸;顯示器模塊顯示接收到的指令信息。

圖1 智能手環的總體框架

2.1.1 傳感器模塊

本設計中傳感器模塊采用光電容積心率監測傳感器。它通過光線的反射和吸收來測量血液的流動情況,從而準確地監測用戶的心率。與其他傳感器技術相比,光電容積心率監測傳感器更加舒適、便捷,用戶無需佩戴心率帶,可以減輕不適感。同時,該傳感器模塊有較高的準確性和穩定性,可以提供持續、精確的心率監測數據,滿足用戶對健康管理的需求。

2.1.2 處理器模塊

本設計中處理器模塊采用了STM32系列主控芯片。STM32系列單片機具有強大的計算和處理能力,可支持復雜的算法和功能實現,其低功耗特性可以延長手環的續航時間。同時,STM32系列芯片擁有豐富的外設接口和通信能力,可方便地與其他模塊進行數據交互和連接。該處理器具備豐富的開發工具和生態系統,為手環軟件的開發和維護提供了便利。

2.1.3 接收器模塊

為了提供多種無線連接方式,實現更廣泛的數據傳輸和遠程控制,該手環的接收器模塊采用了ESIM、Wi-Fi和ZigBee的數據傳輸模塊。ESIM模塊可以實現蜂窩網絡連接,隨時隨地獲取聯網服務;Wi-Fi模塊適用于家庭、辦公環境下的高速數據傳輸;而ZigBee模塊則適用于智能家居場景,實現與周邊設備的互聯互通。綜合使用這3種傳輸模塊,可以讓手環具有更高的靈活性和可擴展性,滿足用戶各種聯網需求。

2.2 軟件設計

手環程序運行流程,如圖2所示。設備啟動時,軟件會對傳感器和通信進行初始化處理。光電容積心率傳感器監測到人體的心率信號,通過A/D數據轉換得到數字信號。同時,該單片機將監測到的心率數值存儲在手環中,以便后期查看。同時,單片機會在手環上反饋所監測到的心率數值[3]。

圖2 手環程序運行流程

在家中,智能手環可以連接到智能家居系統,并通過手環內置的智能家居應用程序控制各種智能產品的開關和調節。當用戶進入睡眠狀態時,心率下降且趨于穩定,每分鐘的心率從白天的60～100下降至睡眠時的45～70下。通過對用戶的心率監測,可以確定用戶的狀態[4]。當確認用戶已進入睡眠狀態時,系統將自動關閉指定的智能化產品。

2.3 外觀設計

為提高產品的防水性和使用壽命,手環采用了簡約的一體化設計。在舒適性上,手環選擇了輕便、舒適、耐用的材料。機身采用經過特殊處理的金屬框架,既能防劃痕,又能增加美感。表帶選用皮革、環保硅膠等材質,以確保舒適性和安全性。

手環主體依據人體工學設計,并進行了弧度化處理。主體機身和表帶形成一個橢圓形,盡可能地貼合手腕,不施加過度壓力,避免不適。這種設計可以提高佩戴的舒適度,方便用戶長時間佩戴并享受健康功能帶來的便利。除此之外,這種形狀和弧度化處理還能增加產品的美觀度,提升整體用戶體驗。本設計將追求舒適度、美觀度和實用性的綜合平衡,在滿足用戶需求的同時延長產品的使用壽命。

3 智能家居就寢場景設計

3.1 感知層-手環傳感器

智能家居的就寢場景需要手環傳感器作為重要的感知層元素。手環傳感器通過監測睡眠時間、分析睡眠質量和記錄運動數據等功能,為用戶帶來個性化的睡眠體驗,提高用戶的生活品質。用戶可以通過手環傳感器的數據詳細了解自己的睡眠情況,找到更科學的睡眠時間和姿勢。同時,手環傳感器還可以監測用戶的健康指標,如心率、血壓等,及時發現潛在的身體問題,幫助用戶更好地維護健康。此外,手環傳感器還支持不同的睡眠模式,用戶可以根據個人需求選擇輕度睡眠、深度睡眠和夢境睡眠等模式,獲得個性化的睡眠服務。總之,手環傳感器在智能家居的就寢場景中起著關鍵作用,通過提供優質的睡眠體驗和個性化的睡眠服務,提高了用戶的生活品質。

3.2 網絡層-智能家居連接協議

在本實現案例中,采用ZigBee協議作為智能家居設備之間的連接協議。ZigBee是一種低功耗、低速率、短距離的無線通信協議,能夠在1～100 m范圍內傳輸數據。它具有超低功耗、網絡范圍廣泛、傳輸距離近、高可靠性等特點。由于ZigBee協議能夠在低速率、低功耗和短距離的情況下進行數據傳輸,因此非常適合用于智能家居設備之間的通信。使用ZigBee協議使智能手環與智能家居設備建立連接,實現智能手環觸發智能家居就寢場景的功能。智能家居連接協議,如圖3所示。

圖3 智能家居連接協議

3.3 應用層-智能家居平臺設計

智能家居平臺是實現智能家居場景自動化控制的核心組件。它需要支持物聯網的感知層、網絡層和應用層。感知層包括智能家居設備,如智能插座、開關和燈泡;網絡層包括路由器、網關和云服務器,用于設備和應用層的數據通信;應用層包括智能手環和手機,用于觸發和設置智能家居設備的操作。技術架構采用分布式系統、消息隊列和分布式數據存儲,能夠處理大量的設備數據和場景觸發事件。平臺具備數據處理和分析能力,可實時分析數據并執行操作規則。同時,支持場景觸發,根據用戶需求設置觸發條件和操作規則。系統管理功能完善,支持設備注冊、接入和管理,并提供可視化界面方便用戶操作。

4 應用程序App設計及場景實現

智能手環的手機App界面主要包括以下內容:智能家居App首頁界面、設備界面和智能手環界面等。智能手環應用程序設計,如圖4所示。

圖4 智能手環應用程序設計

首頁界面展示智能商店與設備區的相關內容,包含監控、房間、手環及模式選擇等。設備界面主要有其他智能家居設備的控制情況顯示,如臺燈、智能床、空調、窗簾等。智能手環界面不僅需包含智能手環的基本信息,方便用戶直觀地了解手環的狀態;還需包含健康數據監測頁面,以呈現用戶的健康數據,如運動記錄、心率、血壓等,用戶可以設置目標值并進行實時監測。運動記錄頁面記錄運動情況,用戶可以查看每一次的運動記錄。睡眠監測頁面展示用戶的睡眠數據,如入睡時間、醒來時間、睡眠質量、深睡時長等,可以幫助用戶了解自己的睡眠情況。手環還允許用戶進行個性化設置,如鬧鐘設置、提醒設置、目標設定等。

5 結語

本文針對家居智能化的人居環境需求,以智能家居就寢場景為例,基于物聯網技術設計了一款智能手環產品。

(1)在解決智能家居就寢場景實現的問題方面,智能手環對其傳感器的數據進行收集、分析。智能手環可以自動調整家居環境,提供更適宜的睡眠環境。

(2)在產品設計中,注重用戶體驗和智能化。手環采用舒適的材質和人體工學設計,佩戴舒適,使用方便。通過與智能家居系統的連接,只需簡單設置就可以享受到智能化的就寢體驗,同時可以通過手機App實現個性化交互。

智能手環作為穿戴式智能化產品具有很大的發展空間。智能家居配套系統提高了人們的生活質量。