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# 基于物联网的视觉暂留风扇设计
> 郭茁宁1,林亦宁2,何胜阳2
> 1. 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨,150001
> 2. 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,黑龙江 哈尔滨,150001
# 摘要
- 为了丰富现有基于视觉暂留效应的风扇产品的展示效果,本文在深入研究电风扇视觉暂留原理的基础上,借助十六进制码的预存和动态平铺技术,将温湿度传感器所获得的实时数据在风扇上进行了显示。同时,设计了一款基于视觉暂留的“贪吃蛇”游戏,寓教于乐,丰富了风扇的功能。经过硬件电路的实际测试,风扇可以准确的显示温湿度,“贪吃蛇”游戏正常运行,达到了预期设计目标。
- 关键词:Arduino;物联网;视觉暂留;风扇;红外;DHT11;游戏
- 中图分类号:TP399 文献标识码: A
# 0 引言
历史上最早使用视觉暂留效果的是电影的制作,电影屏幕上播出的图片速度为每秒25张图片,在视觉暂留现象的作用下,人眼会觉得这些间断性播出的图片是运动的。
目前,视觉暂留已经拥有了较为成熟的相关技术,存在利用视觉暂留实现3D效果的全息3D智能炫屏。市场角度,在南方每到七八月份,气温通常会在35摄氏度以上。而学校很少安装空调,因此便携式电扇在中小学生群体中有很大的市场。相比于普通的电扇,一款可以在扇面上形成滚动图案,甚至可以玩一些简单游戏的便携式电风扇显然在市场竞争上更占优势。
到目前为止,具有创新性的产品仍停留在“高大上”的层面。虽然有相关的成品,但对于普通用户不友好;此外,市场上现有存在的基于视觉暂留的小风扇产品仅仅利用简单的LED灯形成固定、单调的字样或图样。也正因如此激发了我们研究设计一种基于Arduino和视觉暂留技术的具有游戏体验的小风扇。该风扇应用的人群十分广泛,老少皆宜,小朋友可以同过游戏激发对科技的好奇心,老人可以通过游戏解闷,具有极大的潜力和广大的消费人群,可以说是一项非常新颖的风扇产品。
# 1 应用理论基础
## 1.1 物联网架构部署
- 感知层:物联网分为三层结构,在一个物联网系统中,感知层具有根基的作用,它能通过各种传感器的使用来检测和采集设定范围内环境的数据信息。本设计的感知层包括了红外和温湿度在内的传感器。
- 网络层:本设计的传输层主要由红外传输和温湿度传输组成。传输层的主要功能是为多个模块之间,在本项目中主要是为温湿度及红外模块提供它们与Arduino之间的通信服务。网络层的作用:一是为控制层提供有效的数据信息服务,二是及时地提供给用户有效的,实时的数据。
- 控制层:我们的项目是通过Arduino来实现对模块的控制的。实现过程中的编程是对其的编程是基于Arduino开源开发环境,可以兼容多种开发环境,其具有丰富的函数库可以调用。将所需的模块直接连接到其引脚上,包括红外收发模块、温湿度模块,我们直接调用其现有的源代码,并将重点放在游戏功能的实现上。
## 1.2 传感器
### 1.2.1 红外传感器:远程操控
红外通信成本低,体积小,仅需微小的发光二极管,模块化使用可以和Arduino很好的配合使用,大大简化的通信的难度。红外遥控器向红外接收器发射一系列二进制脉冲,发射的光信号在红外接收头内的接收器被转换成电信号,经过放大器的放大作用后,再进行滤波与解调,得到红外遥控器发出的原始脉冲。波形整形,并通过接收器的信号输出脚输入电器。红外通信本质来说,为对二进制脉冲码所代表的数字信号进行调制、解调的过程。
![Arduino与红外接收管连接电路](https://img-blog.csdnimg.cn/20200408153047962.png#pic_center)
### 1.2.2 温湿度传感器:实时监测
本项目融合了DHT11—一种把温度和湿度模块融为一体的高度集成的传感器,性价比高,响应迅速,抗干扰能力也很强,通过实时监测周围环境的温度湿度,产生不同的电压,并将电压的变化输给Arduino,对比分析传来的电信号,转换成温湿度信息,将实时监测到的温湿度的信息打印到风扇的LED流水灯上。
![Arduino与DHT11连接电路图](https://img-blog.csdnimg.cn/20200408153117503.png#pic_center)
## 1.3 视觉暂留理论
视觉暂留现象,物体反射周围的光并将其传入人眼之中,通过视网膜送入脑神经,光成像完成后,实物形成的图像不会瞬间消失,称为“后像”。Arduino能精确的控制时序,在这种效果之下,一列RBG流水灯不断地旋转,不断读取程序中的内容并通过闪烁频率的变化显示出预设的图形,文字和游戏界面。在我们的项目中能够在动态的旋转的风扇上形成静态的图形,和动态的游戏,动静结合是这个项目的一大亮点所在。
# 2 设计方案
## 2.1 创意与特点
### 2.1.1 “贪吃蛇”游戏功能:传统电器娱乐化
我们将视觉暂留技术与小游戏相结合,可以进行一些简单的小游戏。一般的贪吃蛇等游戏都要在普通的直方屏幕上进行,但这样的“屏幕”却超出了一般人的视野范围,富有传统设计没有的独特感官享受,清凉的同时带来别样的乐趣,风扇这一传统的电器能焕发出新时代的神奇魅力。
贪吃蛇的游戏设计:“上”、“下”、“左”、“右”四个方向分别可以通过对应的红外信号进行控制。 “视觉暂留风扇”的特色设计在于:
1. 它拥有环形的屏幕,可以做到普通直方屏幕难以实现的奇特、创新功能,在本次设计中它实现了贪吃蛇无限旋转的特色功能。
2. 它可以依据转速加快和减慢调节“显示屏幕”的长度,可以依据需要扩展和缩小屏幕。
3. 单色流水灯可以鲜明地显示,达到更富有冲击力的清爽的视觉效果。
![“贪吃蛇”游戏使用演示](https://img-blog.csdnimg.cn/20200408153153227.png#pic_center)
### 2.1.2 温湿度实时显示:创新形式展现大众化功能
风扇的使用建立在比较燥热的温湿度条件下,设计中,将温湿度传感器与风扇结合,利用“显示屏”将实时监测到的温度和湿度呈现出来。
利用旋转屏幕,可以显示“TEMP: XX”和“HUMI: XX”,这样可以使用户很直观地悉知周围的温度和湿度。这样的功能可以让已经在高温干燥中的用户更愿意使用风扇,提高产品效力,充分发挥其本质功能。
![温湿度实时显示使用演示](https://img-blog.csdnimg.cn/20200408153230625.png#pic_center)
## 2.2 物理与电子硬件框架
### 2.2.1 核心组成部件
风扇由Arduino核心板、电池、流水灯、扇叶、红外传感器、温湿度传感器、马达、变速器等电子元器件作为核心组成部件,构成基本物理框架,如图5所示,其中:
1. 马达:驱动风扇运转,连接在Arduino主板的下方;
2. 变速器:连接马达,调整转速,控制画布大小和调节稳定性,也可以设置顺时针或逆时针转动;
3. 红外遥控器:和红外传感器进行连接;
4. 流水灯:进行有规律闪烁,勾勒出设定图案;
5. 风扇主体:进行指定操作�
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