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初二学生如何设计智能家居系统?

日期:2016-07-22 10:01 编辑:shangxiaona

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  怎样实时保持室内空气清新?想让家里的光线时刻柔和宜人?出了远门家里的植物谁来浇水?

  关于智慧家庭环境维护的一系列问题,小编在第36届北京青少年科技创新大赛上看到来自首都师范大学附属丽泽中学的三个初二男生设计的一套家庭环境智能调节系统,他们目标就是能“一手搞定”以上难题,让居家特别“省心”。


  创作缘起

  解决现有净化器“缺陷”

  “北京几次雾霾红色预警,我们停课在家。即使关闭门窗,家里空气质量也不好。”队长赵天琪说,为此,他特别研究了不少家庭都在使用的空气净化器,“我了解空气净化器有两种净化方式,但都有一定的缺陷。”

  其中,一种是使用过滤膜的空气净化器,这一类空气净化器更新的频率更高,但当雾霾红色预警频频的情况下,过滤膜的寿命大大缩短。另一种则是利用静电吸附原理的空气净化器,这类净化器当清除空气中的雾霾时,也会产生臭氧等其他污染物,作用有限。

  另外,赵天琪还发现,现有的空气质量检测播报不够及时,“空气净化器得到的数据来自服务器终端,而监测点一般距家庭距离较远,这造成数据刷新率不够高,人们居家不能得到实时的数据,属于‘亡羊补牢’。”

  如何能使家庭环境净化装置更敏感、更高效,时刻保持室内清新、舒适呢?赵天琪与伙伴杨浩欣、李嘉奇曾展开过多次讨论,提出过各种各样的智能家居方案。

  难以取舍之际,他们决定将独立成块的各个项目集成为一个系统化的智能家居,“这个智能调节系统可以做到现在天气预报所做不到的实时监测,如监测PM值。通过智能化的手段实现空气净化器、环境质量检测仪、智能运动提醒、智能花盆及智能光源等多种智能家居的功能。”

  智能家居模型

  系统功能空气、光线、花卉“一手”维护

  为解决实际居住环境中遇到的空气质量问题,通过调查,赵天琪和伙伴们将问题大致分为几个方面:在室内外空气质量实时监测下,解决居室内空气循环与流通的问题,自动浇水栽培花卉和室内光线自动调节等。

  首先是自动的空气循环系统,赵天琪和伙伴选用专门用来监测空气质量的传感器,来实时监测室内外的空气质量,传感器将采集到的数据传送给主控系统,通过室内外数据的对比,主控会自动做出判断和反应。“判断情况分两种:一种是室内空气不好,室外空气好,这时就该通风换气了;一种是室内和室外环境都不好,这种情况下就要直接打开空气净化器了。”而这什么时候通风、什么时候开空气净化器,则完全是系统靠程序自动实现。

  “晚上回家、夜里起床,昏暗的家庭环境经常造成一些不必要的小磕小碰;有时候家庭环境里的光线不符合人眼的舒适标准。我们的系统也要解决这个问题,让室内光线时刻保持不强不弱的舒适度。”为了实现室内光线的自动调节,他们采用光线传感器来判断室内外光线强度,传感器将采集到的数据反馈给主控,通过差值的对比来决定采取的反应措施,均衡室内外光线。室内暗、室外亮时,系统会操作拉开窗帘采光;室内外都暗时,系统会自动开灯,并自动调节灯光亮度;当室外亮得刺眼时,系统会相应地拉上窗帘遮蔽。

  “植物在家庭环境里的调节作用很显著,但有人经常忘记浇花,家里的盆栽、花卉怎么办呢?”赵天琪和队员们尝试在植物花盆里插入监测土壤湿度的传感器。

  通过不断测试传感器反馈值与土壤湿度的关系,他们得到了湿润、微干和干燥三个标准的临界值。花盆上还连接着三个指示灯,当土壤湿润时,花盆上的绿灯亮起,提示此刻植物“安全无虞”;当土壤微干时,黄灯亮起提醒浇水的必要;当土壤非常干旱,红灯亮起提醒人们需马上给植物补水。如果有需要,该系统还可以控制水泵实现自动浇水,“未来我们还想增加联网功能,人在外地也可以看到家里植物的生长状态。”


  智能花盆

  未来展望继续改进期待成为“产品”

  三个男生告诉小编,整个系统从构思到模型制作完成前前后后花了四个月的时间。他们采用单片机、传感器与乐高机器人组合制作模型,赵天琪负责系统整体设计与软件部分,李嘉奇和杨浩欣负责硬件搭建部分,三个伙伴分工合作。

  “系统采用最新的Arduino主控板,比过去经常练习的乐高机器人更开放灵活、能实现更多功能。但这也给项目的完成带来了一大难点:它的编程使用C语言,而在小学时我们练习的都是图像化编程,这是我们三个人此前谁也没接触过的。”学习C语言最麻烦的是记下那些繁杂的语法,中午午自习、放学回家,赵天琪都在认真自学,一学就是两个多月。

  语言无障碍、程序会编了,如何控制传感器,把返回值都读准了,这是一大难题。最难处理的是空气质量传感器,它的原理非常复杂。另外,主控智能读出返回值,却不知道单位是什么。

  为此,男生们在各大论坛、贴吧和产品的资料库里查找了许多文档,利用放学后的社团活动时间,前前后后研究了一个礼拜。辅以实验的验证,终于得到了比较准确地真实读值。

  赵天琪指出,虽然经过同学们的一次次调试、改进、完善,但是目前该系统还处在模型阶段,要想让它真正适合家庭使用,还需进一步的改进。比如,模型的通风换气功能采用风机完成,而用于家庭中则可利用空调的联动实现,“通过红外线发射实现互联,替代遥控器控制空调的开关。”

  另外,模型内各装置的互联,通过连接线实现,布线麻烦,“未来可将所有装置都分别集成在室内外的两个盒子里,将它们像平板电脑一样嵌在墙体,以节省空间。中间的连接线可使用家庭Wifi无线连接,功耗低、更便捷。”

  此外,男生们对系统功能还有许多新设想,比如联网实现遥控、燃气安全监测、自动擦窗功能等等,他们向小编表示:“我们会不断改进,希望它能真的成为产品,方便千家万户。”

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来源:中国智能家居网
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