基于3D打印与单片机的智能家居系统模型设计
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摘 要：在传统工业设计模式下，创新产品从想法到样品实体的过程中，往往需要用很大开销来给样品开模。而使用3D打印技术生产样品，可以节省大量的开模成本，大幅提高设计容错率。与传统的只在理论上计算样品的各方面数据相比，3D打印出来的模型可以更直观的给设计师提供参考，更有利于新产品的功能实现。智能家居从设计到样品，需要大量的实际市场测试来完善与升级，重新开模成本太高、周期太长，而3D打印技术可以低成本快速的做出样机并投入市场进行测试。
关键词：3D打印 PWM 舵机 智能家居
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0087-02
在新产品样品试用阶段，即使市场部反馈的用户需求发生调整，要放弃、修改、增加部分功能，对于传统开模产品来说是需要重新设计，重新开模，重新生产的。而3D打印的样品只需要更改数字模型，然后重新打印对应部件即可，可以节省大量开销。而像智能家居这种高度模块化的产品，在设计上也非常受传统创新模式的资金限制与影响，导致创新发展受到局限。
3D打印技术在创新产品的过程中成本非常低，像智能家居这种需要在市场的需求改变中快速迭代的产品，跟传统技术比起来有着绝佳的优势。对需求的变化极度敏感、需要应对高度个性化的需求的产品，都可以采用3D打印技术来生产样品并投入市场进行测试，且从中获取足够的数据反馈也能及时用于下一代产品的升级与改进。
高度个性化需求，即不同用户的特殊需求，传统的工业产品千篇一律，无法满足小众化的需求，而这一部分被传统工业模式遗忘的小群体，随着消费升级，影响力逐渐变大。而3D数字建模与3D打印技术，就恰好可以满足这部分人的需求，填补传统工业模式上的不足。
1 装置介绍
运用3D数字建模与3D打印技术，并结合单片机编程，做出了一个拥有相对完善的智能家居系统的房屋模型，其能实现完整且基础的智能一体化功能，并支持用户的私人个性化特殊设置。
本智能家居系统模型包括配合硬件检测的部分和通过物联网平台收发数据的部分。在接收器接受到特定信号时，直接通过内部硬件连接反应器以作出相应反应，并可将信号上传至网络，以供用户查看与主动控制。
2 模型结构的设计
包括对室内环境改变的各种传感器；对应的自动反应器；中央控制器；3D打印的主体。室内外的传感器接收环境变化或者接收到信号，中央控制电路可产生pwm信号控制相应的反应器作出响应。
2.1 外观设计
总体设计风格为现代化别墅，有大型玻璃落地窗，符合大众普遍对别墅的外观需求。
2.2 功能介绍
根据屋外是否有雨，温湿度传感器可传入信号至中央控制器，随即控制已开启的窗户自动关闭。可由用户主动遥控开关窗户。
实时检测屋内温度湿度，并用中央空调进行调控至舒适环境。启动中央空调时会自动关闭门窗、并向用户发送信息。用户可设置自动调节的触发条件、以及遥控中央空调。
检测大门、窗户是否受到强冲击，判断是否有人硬闯，激活蜂鸣器、发送警示信息至用户手机。震动强弱可由用户自定义设置。
实时检测屋内外光线强弱，自动调整屋内若干组灯的亮起与熄灭。可由用户手动操作调控光线。
实时检测室内液化气（煤气）含量，一旦超标激活蜂鸣器，发送警示信息至用户手机。
2.3 控制电路
中央控制芯片主要采用 60s2，通过它来根据需要移动的角度、传感器传入的不同参数，来产生pwm信号进行舵机组的转动、或者对应反应器的工作。远程操控通过蓝牙以及GPRS模块进行数据传输。
3 3D数字建模
全程采用机械专业SolidWorks进行一体式设计与建模，并软件中进行框架结构的动态测试，使模型组件之间能高度契合。
使用SolidWorks对以创建的数字模型上进行压力测试、碰撞检测、流体测试，以保证设计出来的模型可应对各种情况而不出故障。
3.1 模块化设计
设计采用模块化方式，不同功能区域有对应的组件。如果部分模块功能失效或需要安装新的模块，都极易更换与扩展。线路以及各元器件都藏于墙壁内腔、地底内腔中，在墙体拼接时会有对应的插口，接上即可，此设计大幅提高了设计时的容错率。
3.2 特殊结构
3D数字建模时，將所有的线路藏于墙中，大幅提高美观性。且若线路老化或损坏，可及时排查，按模块拆卸并更换线路，可以大幅节省成本。
通过适当的调整内部机械传动结构，以把舵机等反应装置集中在模型底部。这样的设计不仅利于检修，也可避免故障时带来的不良后果。
3.3 对企业优势
据统计，3D打印的样品和传统开模样品成本相比，前者成本大致只有后者的5%～20%。公司在开发新产品时，这种方式能在相同的资金支持下提供更大的创新空间。
4 智能控制系统
别墅内部各组件可自动控制，也可通过连接对应手机APP蓝牙进行远程遥控和设置参数。用户可通过客户端及时查看房屋信息，若有紧急情况可及时通知用户。
4.1 智能控制核心程序
在用户端不进行主动调控与设置时，整个房屋默认处于全自动管理状态，由各个传感器模块分别实时检测屋内外环境，并自动调控屋内环境至宜居水平。
4.2 主动控制系统
用户端可设置默认偏好，如适宜温度、湿度、光亮等参数，保存设置后中央控制器可自动将默认拟定值转换为客户定制的拟定值，提高用户的舒适性以及满足其多样性需求。
用户端可通过远程遥控实行即时开关窗、窗帘，温度湿度调控等，不再依靠各厂家的各型号遥控器，实现真正意义上的智能家居一体化。
5 发展方向
该模型还可添加物联网模块，并结合大数据，实现更高度的智能化，甚至能将人工智能助手加入整个智能家居系统中。
未来随着该技术的成熟与普及，3D打印技术与各行业会有更高的契合，能给社会创造更高的价值。不仅可以对企业的产品生产进行服务，还能向普通个人用户提供模型定制与打印。
6 结语
与传统的工业生产模式相比，3D打印生产的模型或者产品样机能更好的适应市场需求的多变性，并且成本更低更具灵活性。不仅是在智能家居领域，其他行业的新产品开发也同样适用。
伴随着工业4.0时代的到来和消费升级，传统工业化产品渐渐无法适应消费者们多变的需求，而3D打印的产品从设计到迭代升级都可以在极短时间内完成一次开发周期，并且在同样的资金空间内有更多的试错机会。
参考文献
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