基于NRF2401的多功能地板的设计*

张 杰, 徐兆军, 那 斌, 尚征帆, 倪申健, 陆荣鑑

(1.南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210037;2.南京林业大学 机械电子工程学院,江苏 南京 210037)

0 引 言

传统智能家居常以控制中心来实现对室内家电的调节,忽略了室内地面的智能化。地板是一种较为普遍的室内装饰材料,应当将其纳入到智能家居的领域内。目前,国内对于地板的研究多集中在自发热[1]、表面舒适度[2]、防甲醛等功能[3,4]。尽管这些研究有助于使地板变得更加环保、更加亲肤舒适,但未能促使地板具备初步的智能化特征。国外的地板智能化进程相较于国内而言稍早一步。德国波茨坦普拉特拉学院的团队开发出一种高分辨率智能压感地板,该地板能够对地板上方人或物的姿势、运动和碰撞进行追踪,可应用于家庭安全和自动化,以及互动游戏等领域[5]。Braun A等人研发出一种类似手机触屏技术的电容地板[6]。尽管国外对于地板智能化进展相对较为前瞻,所研发出的智能化地板功能多样,其成本高,安装复杂,后期维护困难等情况阻碍了推广。

1 原理与硬件设计

智能家居就是使室内的家电橱柜具备一定程度的智能化水平。本文设计的实用性技术成果由两个部分组成,其一为成员组件,为内部嵌有ARM控制的地板总称,用于将地板整合为一体;其二为控制组件,用于控制、响应成员组件。

1.1 成员组件设计

成员组件所实现的功能如图1所示,通过将NRF2401近距离无线传感器嵌入地板内部将室内地面整合成一体,根据室内布局的差异性,选择安装与之适配的功能性组件,使其物尽其用,各显神通。

图1 成员组件功能示意

1.1.1 地板外观设计

常见的多层实木地板由表层、芯层和底层组成,将地板底层和芯层掏出合适的形状放置传感器控制电路,开槽后的地板如图2所示。图中四个圆形凹槽用于放置压力传感器,中间矩形凹槽用于核心控制板的安装。

图2 地板外观设计

1.1.2 组网设计

将铺设在地面的各个地板有机地衔接为一体是组网设计的核心。本文采用NRF2401近距离无线传感器进行地板之间的相互连接,NRF2401通信模块使用模块化思想,一方面可以减少芯片外围电路设计失误,另一方面便于和单片机连接,图3为NRF2401与单片机采用SPI连接引脚示意图。

图3 NRF2401与单片机连接示意

预先将代表各块地板的ID字符通过软件烧录器写入地板内部的单片机中,已编码的地板示意如图4所示。

图4 地板编码

1.2 控制组件设计

控制组件不仅用于接收成员组件向上响应的信息,还是人机交互的主要承担部分。因此主要包含以下两个功能元件:1)NRF2401用于接收成员组件信息;2)以太网络用于连接互联网。另外还包括显示器和报警器等。

2 软件设计

成员组件的程序设计流程如图5所示。

图5 成员组件软件设计流程

控制组件需要完成以下三件事:1)预存来自成员组件的ID编号;2)接收来自成员组件传感器信息;3)判断接收到的信息并作出相应动作。其逻辑如图6所示。

图6 控制组件软件设计流程

3 应用场景概述

可将地板作为室内定位系统的载体。每块地板背部都布置有压力传感器与无线模块且拥有独立的编号ID,地板在室内地面有序铺设从而完成地理信息组网。当地板感受到压力信号时可通过无线模块将当前受压地板的编号发送至控制组件,控制组件根据编号可对当前受压位置进行定位。

1)导航:基于上述地理信息系统可提供室内地理坐标信息,为家庭服务机器人或者扫地机器人提供路径导航服务。基于本文所设计的多功能地板,这种导航方式只需通过软件更新便可实现。用于室内扫地机器人,理论上可有效避免与家具的碰撞;用于餐厅传菜机器人可增加其行走的稳定性和准确性。

2)安防报警:通过压力传感器可以为家庭提供安防服务。传统的家庭安防是通过监控摄像头或激光对射传感器来实现,虽然能够实现实时监控,但也容易留有监控死角被盗窃分子利用。本文所述的报警功能是在地理信息系统的基础上实现的,监控范围可以涵盖房间的全部出入口乃至全屋,无任何监控死角。夜晚或无人在家时启动入侵报警功能,当系统检测到指定区域有意外压力信号时则认为有人非法入侵,系统随机打开警报器发出灯光与声音震慑入侵者,与此同时系统可以通过无线网向用户发送报警信息。

3)感应照明:压力传感器对外可用于防盗,对内可用于诸如踢脚线灯的感应和楼梯灯光效应的开关。结合板载的光感传感器,可对晚上/白天进行识别,减少不必要情况下的误触发。

4)温度控制:可用于地暖的温度控制系统。通过分布在各个房间的多功能地板上板载的温度传感器,可以实时监测地暖的供暖状况,节省家庭用电。

4 结束语

本文所设计的多功能地板是嵌入式在林产工业中的应用,集成多种功能,主打室内定位,可初步满足智能家居的应用场景,并扩展了地板的应用价值。目前人口老龄化现象日趋严重,室内家具的智能化发展需要投入更多精力从而为老年人提供便捷,结合当前地墙一体化发展趋势,能使地板更加多样性,进一步将这种设计方法运用到其他家具中使其更加个性化。