基於物聯網的視覺暫留風扇設計

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基於物聯網的視覺暫留風扇設計

郭茁寧1，林亦寧2，何勝陽2

1. 哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱，150001
2. 哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱，150001

摘要

• 爲了豐富現有基於視覺暫留效應的風扇產品的展示效果，本文在深入研究電風扇視覺暫留原理的基礎上，藉助十六進制碼的預存和動態平鋪技術，將溫溼度傳感器所獲得的實時數據在風扇上進行了顯示。同時，設計了一款基於視覺暫留的“貪吃蛇”遊戲，寓教於樂，豐富了風扇的功能。經過硬件電路的實際測試，風扇可以準確的顯示溫溼度，“貪吃蛇”遊戲正常運行，達到了預期設計目標。
• 關鍵詞：Arduino；物聯網；視覺暫留；風扇；紅外；DHT11；遊戲
• 中圖分類號:TP399 文獻標識碼: A

0 引言

歷史上最早使用視覺暫留效果的是電影的製作，電影屏幕上播出的圖片速度爲每秒25張圖片，在視覺暫留現象的作用下，人眼會覺得這些間斷性播出的圖片是運動的。
目前，視覺暫留已經擁有了較爲成熟的相關技術，存在利用視覺暫留實現3D效果的全息3D智能炫屏。市場角度，在南方每到七八月份，氣溫通常會在35攝氏度以上。而學校很少安裝空調，因此便攜式電扇在中小學生羣體中有很大的市場。相比於普通的電扇，一款可以在扇面上形成滾動圖案，甚至可以玩一些簡單遊戲的便攜式電風扇顯然在市場競爭上更佔優勢。
到目前爲止，具有創新性的產品仍停留在“高大上”的層面。雖然有相關的成品，但對於普通用戶不友好；此外，市場上現有存在的基於視覺暫留的小風扇產品僅僅利用簡單的LED燈形成固定、單調的字樣或圖樣。也正因如此激發了我們研究設計一種基於Arduino和視覺暫留技術的具有遊戲體驗的小風扇。該風扇應用的人羣十分廣泛，老少皆宜，小朋友可以同過遊戲激發對科技的好奇心，老人可以通過遊戲解悶，具有極大的潛力和廣大的消費人羣，可以說是一項非常新穎的風扇產品。

1 應用理論基礎

1.1 物聯網架構部署

• 感知層：物聯網分爲三層結構，在一個物聯網系統中，感知層具有根基的作用，它能通過各種傳感器的使用來檢測和採集設定範圍內環境的數據信息。本設計的感知層包括了紅外和溫溼度在內的傳感器。
• 網絡層：本設計的傳輸層主要由紅外傳輸和溫溼度傳輸組成。傳輸層的主要功能是爲多個模塊之間，在本項目中主要是爲溫溼度及紅外模塊提供它們與Arduino之間的通信服務。網絡層的作用：一是爲控制層提供有效的數據信息服務，二是及時地提供給用戶有效的，實時的數據。
• 控制層：我們的項目是通過Arduino來實現對模塊的控制的。實現過程中的編程是對其的編程是基於Arduino開源開發環境，可以兼容多種開發環境，其具有豐富的函數庫可以調用。將所需的模塊直接連接到其引腳上，包括紅外收發模塊、溫溼度模塊，我們直接調用其現有的源代碼，並將重點放在遊戲功能的實現上。

1.2 傳感器

1.2.1 紅外傳感器：遠程操控

紅外通信成本低，體積小，僅需微小的發光二極管，模塊化使用可以和Arduino很好的配合使用，大大簡化的通信的難度。紅外遙控器向紅外接收器發射一系列二進制脈衝，發射的光信號在紅外接收頭內的接收器被轉換成電信號，經過放大器的放大作用後，再進行濾波與解調，得到紅外遙控器發出的原始脈衝。波形整形，並通過接收器的信號輸出腳輸入電器。紅外通信本質來說，爲對二進制脈衝碼所代表的數字信號進行調製、解調的過程。

1.2.2 溫溼度傳感器：實時監測

本項目融合了DHT11—一種把溫度和溼度模塊融爲一體的高度集成的傳感器，性價比高，響應迅速，抗干擾能力也很強，通過實時監測周圍環境的溫度溼度，產生不同的電壓，並將電壓的變化輸給Arduino，對比分析傳來的電信號，轉換成溫溼度信息，將實時監測到的溫溼度的信息打印到風扇的LED流水燈上。

1.3 視覺暫留理論

視覺暫留現象，物體反射周圍的光並將其傳入人眼之中，通過視網膜送入腦神經，光成像完成後，實物形成的圖像不會瞬間消失，稱爲“後像”。Arduino能精確的控制時序，在這種效果之下，一列RBG流水燈不斷地旋轉，不斷讀取程序中的內容並通過閃爍頻率的變化顯示出預設的圖形，文字和遊戲界面。在我們的項目中能夠在動態的旋轉的風扇上形成靜態的圖形，和動態的遊戲，動靜結合是這個項目的一大亮點所在。

2 設計方案

2.1 創意與特點

2.1.1 “貪吃蛇”遊戲功能：傳統電器娛樂化

我們將視覺暫留技術與小遊戲相結合，可以進行一些簡單的小遊戲。一般的貪吃蛇等遊戲都要在普通的直方屏幕上進行，但這樣的“屏幕”卻超出了一般人的視野範圍，富有傳統設計沒有的獨特感官享受，清涼的同時帶來別樣的樂趣，風扇這一傳統的電器能煥發出新時代的神奇魅力。
貪吃蛇的遊戲設計：“上”、“下”、“左”、“右”四個方向分別可以通過對應的紅外信號進行控制。 “視覺暫留風扇”的特色設計在於：

1. 它擁有環形的屏幕，可以做到普通直方屏幕難以實現的奇特、創新功能，在本次設計中它實現了貪吃蛇無限旋轉的特色功能。
2. 它可以依據轉速加快和減慢調節“顯示屏幕”的長度，可以依據需要擴展和縮小屏幕。
3. 單色流水燈可以鮮明地顯示，達到更富有衝擊力的清爽的視覺效果。

2.1.2 溫溼度實時顯示：創新形式展現大衆化功能

風扇的使用建立在比較燥熱的溫溼度條件下，設計中，將溫溼度傳感器與風扇結合，利用“顯示屏”將實時監測到的溫度和溼度呈現出來。
利用旋轉屏幕，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溼度。這樣的功能可以讓已經在高溫乾燥中的用戶更願意使用風扇，提高產品效力，充分發揮其本質功能。

2.2 物理與電子硬件框架

2.2.1 核心組成部件

風扇由Arduino核心板、電池、流水燈、扇葉、紅外傳感器、溫溼度傳感器、馬達、變速器等電子元器件作爲核心組成部件，構成基本物理框架，如圖5所示，其中：

1. 馬達：驅動風扇運轉，連接在Arduino主板的下方；
2. 變速器：連接馬達，調整轉速，控制畫布大小和調節穩定性，也可以設置順時針或逆時針轉動；
3. 紅外遙控器：和紅外傳感器進行連接；
4. 流水燈：進行有規律閃爍，勾勒出設定圖案；
5. 風扇主體：進行指定操作。

2.2.2 流水燈“扇葉”與Arduino結合設計

8個二極管的流水燈在接上Arduino後，可以高速地有規則閃爍，隨着週期和指令等自變量不同，可以在轉動時顯示出制定圖形。
圖6數字“8”的二進制碼圖像，對應編碼爲“0xFF，0x91，0x91，0xFF，0x00”；
有筆墨的地方設定爲“1”，沒有則設定爲“0”，縱向8個格子進行壓縮，從8位2進制碼轉換爲2位16進制碼，可以在Arduino的程序中用PORTD進行輸出。

2.2.3 旋轉的速度與平衡調試

在調整配重的基礎上，風扇平衡旋轉。將馬達接上調速器，調節調速器的滑動變阻器，通過加快和減緩速度，能夠實現擴張和收縮屏幕的效果。多組數據能夠利用matplotlib在統計數據的基礎上繪製出關於轉速和寬度的直觀散點圖，並且進行擬合，研究出合適的轉速和地圖畫布大小。

通過數據的測試、實際操作中視覺觀看的舒適度、風扇平穩程度以及程序需要，我們選擇了平行半徑方向長度爲8、垂直半徑方向“屏幕寬度”（即表中的Width）爲40的這一設定，並設置每次顯示暫停2ms達到穩定清晰地效果。

2.3 軟件程序開發

2.3.1 紅外控制顯示指定圖像

這個功能是風扇最爲基礎的功能，它涉及到硬件和軟件的結合，從傳統風扇的單一功能過渡到了擁有可以多元化娛樂功能的條件。圖9解釋紅外控制顯示的實現流程：

2.3.2 “貪吃蛇”遊戲實現

“貪吃蛇”遊戲是電腦上最爲基礎的遊戲之一，而在風扇上實現這一遊戲無疑是傳統電器娛樂化和科技化的重大突破。圖10給出了“貪吃蛇”的實現流程。
首先導入紅外庫、設置端口；再解碼紅外16進制編碼後進行預設儲存；存儲方式使用鏈表數據結構，流動儲存蛇的身體座標，模塊化編程初始化鏈表，初始化地圖，判斷地圖邊界，創建新的食物等必要函數；蛇吃食物後，會創建新的食物，並且加長，也會應有4個不同的函數向四個方向移動；移動完成後，繪製、壓縮地圖，將地圖轉換爲16進制碼，打印地圖，使流水燈閃爍，能夠從視覺感官上看到蛇的運動；循環執行“貪吃蛇”遊戲。
2.3.3 溫溼度實時顯示
溫溼度實時顯示，是在DHT11傳感器接收、傳輸的基礎上，結合流水燈的壓縮輸出，可以達到在風扇顯示屏上顯示出溫度和溼度英文縮寫字樣以及所對應的數值。圖11解釋溫溼度實時顯示的實現流程：

首先導入基礎庫和溫溼度函數庫，初始化、設置頻率9600；然後準備由pin10進行信號接收和傳輸：設置接口、檢測響應結果、高電平則傳輸連接建立，設置pin2接口模式爲Output，TX低電平20ms，RX高電平40μs與設置2號接口模式爲Input，準備接收高電平響應信號，間歇性讀取溫溼度數值；在此之後運行讀取bit1-40存儲值；最後進行可視化的操作，格式轉化輸出：溫度、溼度、校對碼，溫溼度顯示的模塊中預存儲字母和數字的16進制編碼、壓縮圖像、打印輸出。

3 市場化和工業化設想

3.1 市場化

目前該領域市場上存在有相似的產品，主要面向廣告，作爲LED屏幕之外一個宣傳形式的補充。而我們的設計則面向大衆用戶，提升風扇的娛樂性質，賦予風扇有別於傳統概念的新奇形象。若我們的設計能面向市場，應該要有以下一些設計：

1. 設定面向的具體用戶，比如兒童和老人，甚至針對不同的用戶進行功能的補充以及概念的包裝；
2. 提高設計的便攜性和方便性；
3. 努力貼近現有風扇產品設計的特點，加速融入大衆生活的速度；
4. 降低單個產品成本和售價，迎合普通用戶；
   在這樣的技術市場化基礎上，結合合理的商業模式，將超乎人們想象的設計帶入人們的視野，嘗試體驗科技帶來的魅力，這樣一款市場化後的產品會爲傳統工業帶來新的棉毛，風扇這一古老、單一的形象會在科技的光環下演繹出新一番的絢麗。

3.2 工業化

• 該風扇的功能實現依賴於底層的物理框架，對於物理框架的設計，有幾點重要的特別考慮和實驗成果：

1. 將Arduino核心主板和電池居中，且聚攏、減小距離，可以有效提高風扇旋轉時的穩定性。
2. 用適當密度的等重材料板，與流水燈進行大小匹配，對稱安裝，在風扇旋轉時大大減少振動和波動。
3. 採用直流電池，並將所有器件安裝於核心板之上，避免在旋轉時纏繞在一起。
4. 採用小馬達，降低重心，有利於平衡。

• 若該設計能進入工業量產，以下幾點需要加以改進和完善：

1. 縮小流水燈距離，使顯示畫面更加飽滿、充實，尤其是顯示貪吃蛇是縱向方向能連續顯示。
2. 將紅外居中，並置於容易接受信號的位置，能提高遊戲操控的靈敏度。
3. 將馬達嵌入，並且設置變速器，可以進行人工調試。

4 結語

• 在本項目研究中，設計了以視覺暫留爲原理的電風扇，並且依據市面原有的產品原理進行改進和豐富功能，設計“貪吃蛇”遊戲和溫溼度顯示等功能：以旋轉的電風扇葉作爲顯示屏，富有區別於傳統設計的獨特感官享受，基於此設計的“貪吃蛇”配得上出彩的創意；將溫溼度傳感器與風扇結合，利用“顯示屏”將傳感器檢測到的溫度和溼度視覺上呈現出來。基於Arduino進行開發，充分利用了Arduino可延展性高、易於基礎操作的特徵。貪吃蛇的功能實現程序結合了遊戲開發的嵌入式設計，以紅外傳感器作爲傳輸遊戲指令的媒介，進行創意的形式展現；溫溼度顯示功能借勢潮流的啓發，結合風扇和溫溼度進行功能開發，運用單接口的物聯技術和十六進制預存儲動態傳輸技術完成實現。在研究結束時，指出了該風扇市場化的方向和拓展關鍵，以及工業化的改進方案的標準化預期設計，結合嵌入式設計和物聯網結合的優勢面向大衆進行研究開發。總體來說，我們設計出擁有完整體系的物聯網創新作品——“基於Arduino的智能人機交互風扇”，這項研究不但完成了突破傳統印象的感官設計，更發揮了核心板潛在的功能運用，研究並結合了軟件和嵌入式的功能實現，將一個新穎的風扇模型展示在消費者面前。