关键词：产品设计原型；智能卧室控制系统；乐高头脑风暴

1  产品概念

由于现代生活节奏的加快，睡眠质量正成为困扰几乎每一个人的问题。作为日常睡眠的主要场所，卧室的噪声、亮度和温度就成为了影响睡眠质量的关键外在因素。本次项目提出了一个智能卧室控制系统（图1）的概念设计，它源于智能家居系统的原理。智能家居系统是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、智能云端控制、综合布线技术、医疗电子技术依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。而智能卧室控制系统则是在此基础上的简化，通过该系统改变室内的噪声、亮度和温度，卧室在夜间就能够始终处于适合用户睡眠的状态。此次项目利用产品设计原型的模拟仿真实验，验证项目概念设计是否具有合理性与可行性。

图1  智能卧室控制系统的概念设计

2  产品设计原型构成

在产品设计中，对于概念的支持需要设计原型的反复验证。原型（Prototype），是设计项目中经常用到的工具。维基百科上对其的定义是：A prototype is an early sample, model, or release of a product built to test a concept or process or to act as a thing to be replicated or learned from。也就是说，Prototype是设计概念或产品的模型，用以表现最核心的功能特征。通过让用户与模型进行互动，来获取真实的反馈，从而更好地探索设计方向。原型不拘泥于形式，只要能达到它的作用即可。

此次产品设计原型将由两部分组成。手工制作的模型代表一个微型卧室，作为智能系统的载体。LEGO Mindstorms NXT是这个原型的核心部件，它通过流程图式的G语言程序来模仿系统在卧室中的控制状态。

2.1  基础部件

手工卧室模型是此次产品设计原型的基础部件。在考虑了材料的成本和性能之后, 选择了胶合板（PLY/6MM）作为原型的材料，这是一种由薄层或木单板层制成的薄板材料。窗帘需要较好的遮光性，因此选择泡沫板作为制作材料。此外，为避免家具表面反射的干扰，床和床头柜的材料均由黑色泡沫板制成。

2.2  核心部件

LEGO Mindstorms（乐高头脑风暴）是此次产品设计原型的核心部件。它是一种可编程机器人套件，包含用于创建可定制的可编程机器人的软件和硬件。该套件包括控制系统的主机，一组模块化传感器和电机，以及用于机械系统的乐高零件。除主控模块（主机）外，LEGO Mindstorms NXT有三个伺服电机、三个指示灯、一个触碰传感器、一个声音传感器、一个亮度传感器、一个超声波传感器，它们通过转换器电缆与主控模块连接。LEGO Mindstorms可用于构建具有计算机控制的机电部件的嵌入式系统模型。

其中，各类传感器为NXT的输入组件。主机底部有4个输入接口，编号分别为1(触碰传感器)、2(声音传感器)、3(亮度传感器)、4(超声波传感器)。在NXT编程时，这四个端口的传感器只能接在对应的端口上。输出组件主要为伺服电机和指示灯。主机顶部有3个输出接口，编号分别为A、B、C。与输入组件不同，电机或灯可以接在任何输出端口。此次项目中，LEGO Mindstorms将模拟智能卧室系统嵌入在手工卧室模型中进行实验。

本项目中使用的LEGO Mindstorms组件的简要介绍如表1所示。

3  Lego Mindstorms NXT程序编写及运行过程

为了方便原型展示，该过程分为6个单独的短程序，由两套LEGO Mindstorms NXT 2.1执行，以模拟系统的全部活动。根据时间顺序，程序的先后顺序分别是C（睡前）、D+E（睡眠）、F（睡眠）、A+B（唤醒）。此外，每个NXT主控模块在此项目中具有不同的功能。模块A用于控制系统，而模块B用于环境模拟。它们的详细信息如表2所示。

图2  程序A

实验1（图3）测试了两种状态的光线强度，绿色线条是自然状态下窗外的光线强度，而白色线条是手电筒（模拟阳光）照射窗户时发出的光线强度，平均值大约为70（最大值为100）。因此，将大于70设置为亮度传感器的比较模式参数，即亮度大于70时，伺服电机开始工作（拉开窗帘）。

图3  亮度传感器实验（实验1）

3.2  程序B

为了模拟用户被唤醒后逐渐增加灯光亮度的状况，图4显示了程序B的运行过程。这个程序将由模块B执行。指示灯的亮度大小最终将设置为20、40、60、80和100，彼此之间将有5秒的停顿。在按下NXT主控模块的回车按钮之后，指示灯将被关闭。程序B中涉及的组件如表4所示。

图4  程序B

3.3  程序C

由于该程序的目的是在睡前逐渐调暗灯光亮度，因此程序C（图5）将以程序B的相反顺序运行。这个程序也将由模块B执行。指示灯的亮度将从100开始，最后设置为20。最后5秒的暂停后，指示灯将完全关闭。程序C中涉及的组件如表5所示。

 
图5  程序C

3.4  程序D

由于LEGO Mindstorms NXT并没有温度传感器，因此用指示灯来代替，程序D（图6）用来模拟指示灯的温度。该程序也由模块B完成。

图6  程序D

基于亮度传感器的原理，亮度传感器可以通过不同的灰度来区分颜色。因此，两个指示灯可以分别被红色和蓝色的灯罩覆盖，表示高温和低温。同时,强度也分别设置为100和50，以便亮度传感器可以很容易地检测到差异。按下NXT回车按钮后，指示灯将被关闭。程序D中涉及的组件如表6所示。

3.5  程序E

程序D在模块B上运行时，程序E（图7）也将在模块A随后运行。伺服电机驱动螺旋桨模拟风扇。而指示灯将被一个红色的灯罩覆盖，用以模仿室内暖气。

图7  程序E

亮度传感器将比较两次光线强度。如果低于60，意味着程序D中的两只灯都关闭（室内温度合适），指示灯和伺服电机将停止工作。如果强度超过85，意味着程序D中的红灯亮（室内温度过高），伺服电机将开始工作（打开风扇），指示灯关闭。而如果光强在60%到85%之间，意味着程序D中的蓝灯亮（室内温度过低），伺服电机关闭，指示灯开始工作（打开暖气）。程序E中涉及的组件如表7所示。

为了设定亮度传感器在较模式中的参数，进行了亮度传感器实验2，图8为实验结果。红色线条代表带有红色灯罩的指示灯。同样，蓝色线条是带有蓝色灯罩的指示灯。根据实验结果，将两个亮度传感器的比较模式参数分别设置为大于60和大于85。

图8  亮度传感器实验（实验2）

3.6  程序F

程序F（图9）是一个简单的循环程序，用以实现遮盖噪声。当声音传感器检测到噪音时，模块A将播放代表白色噪声的名为“白色”的文件。当噪音量低于30dB（分贝）时，它将停止播放。程序F中涉及的组件如表8所示。

图9  程序F

对于声音传感器在比较模式下的参数设置，实验3（图10）的结果可以确定此数值。从折线图来看, 播放音乐时的音量约为30分贝。相反，音乐停止时音量低于25分贝。因此, 声音传感器的比较模式参数可以设置为大于30dB。

图10  声音传感器实验（实验3）

4  实验结果分析

LEGO Mindstorms NXT被组装到手工卧室模型后，按照时间顺序，程序C（睡前）、D+E（睡眠）、F（睡眠）、A+B（唤醒）先后按顺序运行。结果显示，每个程序基本都能够按预期顺利运行。除了程序A，即打开窗帘的程序。两个NXT模块的端口设置如表9所示。

当窗帘打开时，触摸传感器无法被按压到底。因此，当窗帘完全打开时，伺服电机无法停止工作。其中一种可能的原因是伺服电机的功率不够大。另一种可能的原因是触发触摸传感器的方式存在问题。如有更细的连接杆来代替此原型中使用的材料，实验效果将会更佳。

5  结语

本项目提出了一个用以提高睡眠质量的智能卧室控制系统方案。为了证明概念的合理性，笔者设计了一个将乐高思维风暴NXT嵌入手工卧室模型的原型来模拟系统的工作过程。根据实验结果，该系统基本可以正常运行。不足之处是窗帘的控制程序需稍加改进。

通过本次项目的实践，LEGO Mindstorms套件也可广泛应用于其他产品设计原型。对于绝大多数设计师而言，短期内掌握电子、机械等工程相关的知识并非易事。而想要快速构建一个不仅仅具有视觉功能的产品设计原型，将LEGO Mindstorms嵌入手工模型确实是更高效的选择。科技的进步将产品设计原型的创新提高到了新的台阶，也为更多的设计师提供了更多学习与进步的机会。