新型家用自动门设计及模型制作

袁海琪 刘 静 张 敏 卢泽异 白雯玮 关鸿耀 南京工程学院机械工程学院

1 前言

随着物联网技术的不断成熟，近年来，大量的智能家居产品涌入市场，包括智能电视、智能音箱、智能冰箱等等。传统装修已经不能满足现代人对生活方面舒适度的需求,智能家居的场景设计成为现代家庭装修的新趋势[1]。那么传统门能否也在这场智能化的潮流中完成蜕变呢？

2 产品应用背景

所谓智能家居产品，主要是将住宅当做是平台,实现家庭中的信息通信、电气设备与环境的控制和管理目的,可以提升家居控制与管理的智能化水平[2]。现在主流的门类产品主要有一下三种，一种是安装在公共场合的公用自动门，这类门常出现在银行、酒店、医院等场合；第二种则是具备生物识别功能的智能防盗门，可通过指纹、声纹识别或者密码输入来判别开门者的身份；以上这两种产品技术已经相当成熟。

最后一种则是室内自动门，该类产品受技术限制，大部分使用上仍和上文提到的公用自动门类似，即通过红外感应检测门前是否有人，人来即开，人去即走，属于简单触发。但在日常生活中，人会在屋内四处活动，这种简单的触发方式会使自动门在不需要的情况下被触发开启。小部分采用物联网技术，通过使用者的语音命令来识别触发，这又涉及到了隐私问题。除此之外还有诸多问题有待解决，让自动门真正进入住宅空间是众多自动门制造商真正的梦想[3]。

现有家用自动门主要有以下两大类：

1）采用常规感应方式，如采用无线非接触感应开关、无线感应地毯、红外感应雷达、遥控等等进行感应操作，但是通过这些方式还是需要使用者通过动作来进行触发，使用上仍然会带来诸多不便；而作为主流方式的红外感应雷达触发方式，由于使用者会经常在室内走动，如果仅采用红外感应雷达的话，就会容易出现误触发的现象，从而降低了体验效果，因此并不适合在室内大范围安装；

2）采用物联网技术，如通过手机APP 或者智能音箱进行控制，但是通过手机APP 的操作方式，其操作复杂，且并不实用；而智能音箱是通过识别使用者的语音来控制自动门的开关，如果在室内安装了多个自动门，且室内空间比较大的情况下，使用者每次使用都需要大声地给出极为精准的识别命令，例如：智能音箱请打开爸爸卧室房间的门。另外，在屋内有噪音的情况下，智能音箱会很难准确接受并理解识别命令。另外，在实际运用阶段中，无法保证以物联网技术为介质的计算机网络安全，经常会出现数据资源丢失、用户个人信息被窃取等网络安全问题。使用时，智能音箱持续不断的记录房间内的声音，将声音上传云端后，提取分析命令，再将结果发送到具体设备，这个过程所进行的数据交换可能会被不法分子窃取，这导致用户的隐私安全受到了极大的威胁。

3 设计目标与实现方式描述

考虑到上文所提出的诸多问题，我们希望能设计一款操作简单、符合日常使用需要、不会对用户隐私造成威胁的新型家用自动门，最终目的是要让自动门真正进入住宅空间，实现室内完全安装。

首先考虑的是，舍弃物联网技术，不使用智能音箱等方式进行识别。智能音箱通过移动智能终端应用软件与云平台进行交互时，需要进行数据的传输与交互，存在数据泄露、网络攻击的风险。另一方面，使用物联网技术首先就要联网，一旦断网，整个系统就无法运转，若是遇到突发状况可能会导致屋内人员丧失求生机会。

第二点则是一种更加有效简单的触发方式。目前市面上的家用自动门主要是通过两种方式进行识别触发，一种称为触发，即通过红外感应装置来检测门前是否有人在。但由于在日常生活中住户会在房屋走动，仅通过这种红外感应装置无法判断使用者是否真的有开门需求，因为可能住户只是从门前经过，但自动门依然会感应到并运作。第二张称为手动触发，即使用者需要使用无线非接触感应开关、无线感应地毯、遥控等等方式进行识别触发。这种方式简单的说就是有些多此一举。本身室内门的开关就是一件十分简单的动作，通过开关触发自动门和直接用手开门，从操作性而言，二者其实没啥差别。而从安装价格来看，自动门则远远高于传统门，没有人会愿意花钱装一个没有什么必要的东西。

第三点是要符合人民日常的使用习惯。仔细观察就会发现，不同房间的门每天的开关频率不同例如：厕所门的开关频率最高，然后是书房门和厨房门，最后是卧室门。每种门的常态也不同，最明显的就是卧室的门，可能只有晚上门需要关闭，其余在白天门都是开启状态。再有门的类型也分为扇门和移门，往往卧室门会选择扇门，而厨房和卧室会选择移门，这些都是根据住户需求选择设计的。

图1 自动扇门

图2 自动移门

4 作品工作原理分析

虽说本作品不打算使用物联网技术，但通过语音识别触发确实是一种既简单又新奇控制方式。目前语音识别技术在自动门领域的应用，主要是通过声纹匹配技术来进行身份识别，常使用在智能防盗门上。如果要在室内门上使用，则会如上文所提到的那样需要有十分明确的指令，即打开或开启哪个房间的哪个门。如仅用简单指令如“开门”、“关门”、“把门打开”、“把门关上”，则会出现两种情况：一是控制系统不知道是命令指向哪个门而都不工作，或者每个门都接收到命令，然后“一呼百应”。

整个问题关键在于如何用一种简单的方式告诉自动门它应该工作了。这里就要从人的使用习惯出发进行考虑。以图3为例，假设某人需要从识别区域A走向识别区域B，则他会首先站在识别区域A，穿过门后，再到识别区域B，识别区域AB以外的识别区域均为无效识别区域，可认为与通过门的过程无关。那么，我们是否可以给每个人都划分出识别区域AB，每个识别区域之间不相交，则每个门相互之间状态就是独立的。通过这种方式，人在某个识别区域发出语音命令就具有了指向性，仅对该识别区域内的门有效。

图3 原理演示图

5 产品设计方案

因为家用门一般有扇门和移门两种，但对于本产品而言，虽然门的开合方式不同，但控制逻辑时一致。产品的关键就是要为门的两侧划出一个识别区域，只有人在识别区域内，自动门接收到语音指令这两个条件均满足，门才会做出相应动作。其余情况下，门都不工作。

本产品通过红外感应装着来为自动门划定识别区域，门的两侧各设置了一个方向斜向下的红外感应装置。此时两个红外感应装置的感应范围构成了识别区域AB。

语音识别技术从应用的层面来说可以分为2类：一类针对一个特定的人被称作特定人语音识别技术；另一类恰好相反, 可以适用多种声音, 被称作非特定人语音识别技术。后者比前者更具广泛性,更加适用人类需求。本产品使用的就是第二种识别技术，这是因为本产品用于室内，没有识别说话人身份的需求。

驱动方面和市面上常见的自动门相同，扇门通过电机带动连杆控制门的开合，移门则通过电机驱动皮带控制门在滑轨上移动。

图4 新型家用移门产品概念图1

图5 新型家用移门产品概念图2

6 模型制作

经过小组成员的不断讨论，最后我们觉得制作一个模型而非实物。一是由于制作自动门造价昂贵，再有实物体积庞大，缺乏安装墙面，展示性并不高。原本的计划是购买现有的自动门产品再按照项目需要进行改装，但由于产品使用的控制器系统完全保密，我们没能对其进行二次编程，最后放弃。

6.1 配件选用

作品本身的控制逻辑其实并不复杂，径考虑使用89C51单片机已完全能满足功能需求。语音模块使用的是LD3320 非特定人语音识别模块，其功能在于识别外界语音，分析内容，并可通过引脚输出信号，无需联网，可与单片机配合使用。红外感应模块选用的HC-SR501 人体感应模块，价格便宜，效果良好。除此之外还有LED和喇叭等配件。

6.2 功能设计

上文中也有提到，室内门在不同的位置，使用频率和一般状态都是不同的。为配合人们的使用习惯，我们为产品设计了几种模式。

（1）自动模式：当使用者站在门的一侧，被该侧红外感应模块检测到并发出指令“自动模式”后，如门初态为开启状态，保持等待；如门初态为关闭状态，门开启。等到使用者穿过门，被另一侧的红外感应模块检测到后，过几秒，然后门关闭。该模式末态为关闭状态。

（2）常开模式：如门初态为关闭状态，无论使用者站在门的哪一侧，只要被红外感应模块检测到并发出指令“常开模式”，门开启，并保持状态；如门初态为开启状态则保持状态。该模式末态为开启状态。

（3）常闭模式：如门初态为开启状态，无论使用者站在门的哪一侧，只要被红外感应模块检测到并发出指令“常闭模式”，门关闭，并保持状态；如门初态为关闭状态则保持状态。该模式末态为关闭状态。

（4）锁门：如门初态为开启状态，无论使用者站在门的哪一侧，只要被红外感应模块检测到并发出指令“锁门”，门关闭，状态为上锁状态；如门初态为关闭状态则直接进入上锁状态。该模式末态为上锁状态，在上锁状态下，除非说出密码或者特殊口令，门的其他状态均无效。

（5）解锁口令：解锁口令只在门处于上锁状态时有效。无论使用者站在门的哪一侧，只要被红外感应模块检测到并说出预先设定的密码或特殊口令，接触门的上锁状态，门开启并保持，最终末态为开启状态。

6.3 机械制作

作品全部采用SOLIDWORKS 软件建模，单片机传感器的外壳采用3D打印技术制作，安装墙面使用亚克力板激光切割制作而成，二者所用工程图纸均直接从软件中导出。

图6 机械设计装配图

6.4 作品实物照片

图7 作品实物图

7 创新特色

（1）将非特定人语音识别技术与红外感应技术相结合，和传统门相比更有科技感，体验更好，而和现有的室内自动门相比，操作更加简单，误触发率更低。

（2）该作品可以说是在现有产品进行了部分改进，增加部分的成本并不多，且容易实现，能快速投入生产。

（3）考虑到人的日常使用习惯，设计了几种不同的模式，可自动关门、可常闭常开、更可以实现锁门和密码解锁功能。

8 预期应用前景

但根据调查结果可以看出，有60.12%的消费者由于智能家居价格较为昂贵所以不会使用智能家居。由于增设了一个语音识别模块，产品成本略有增加，使用体验却大大提升，整体来说性价比还是非常高的，由于产品是在现有产品上进行了改进，生产厂家可以快速完成产品设计并迅速投产，所以最终的售价和现有的自动门产品应该相差不大。

产品最理想的营销方式应该是与房地产商合作，打造智能房产。目前，在房地产市场，精装修已无法满足舒适化和个性化的需求。通过配套智能化产品提升房屋的附加值，智能家居已然成为楼盘品质与销售卖点的新砝码。我们的产品就非常适合这种销售模式，因为自动门后期安装十分麻烦，比较适合精装修房预先安装，可以增加房屋的科技感，作为一大销售卖点。

9 致谢

由于比赛时间跨度长，项目制作的难度大，十分感谢所有给予我指导的老师；所有帮助我完成项目的同学；感谢我的学校能给我参加这次比赛的机会；最需要感谢的是我的父母，感谢他们能够一直支持我做自己喜欢做的事。