基于多感官刺激的新型叫醒裝置設(shè)計*

韓博旭，周仕齊，李振雷，李 陽，張蓮潔

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著社會發(fā)展力的不斷提高，當(dāng)代年輕人的生活節(jié)奏逐漸加快，人們越來越看重工作效率與時間規(guī)劃。為此，類似于鬧鐘這一類的提醒裝置成為了生活的必需品。在居家的環(huán)境之下，人們大多會使用鬧鐘設(shè)置特定的時間來提醒自己早晨起床，以便到第二天設(shè)定的時間時，鬧鐘會按計劃響鈴，使用者聽到鈴聲后從睡夢中醒來并且關(guān)閉鬧鐘。

很多上班族由于加班和壓力大，導(dǎo)致不同程度的睡眠不足或睡眠障礙，在聽到鬧鈴過后并不清醒，關(guān)閉鬧鐘后也并沒有按照預(yù)想順利起床，忍受不住困意不自主地繼續(xù)睡下。此類情況經(jīng)常發(fā)生在年輕群體之中，導(dǎo)致使用者因為沒有按時起床而錯過重要的事情，打亂了一天的安排，從而產(chǎn)生負(fù)罪感或消極情緒。此外，現(xiàn)如今市場上流行的鬧鐘與叫醒裝置多利用鈴聲來提醒使用者達(dá)到設(shè)定的時間，傳遞刺激信號的信息相對單一。對于聾啞人和有聽覺障礙的老年人等特殊群體，大多數(shù)的鬧鐘缺少與用戶進(jìn)行交互的媒介，從而導(dǎo)致失效。

為此，本文提出了對現(xiàn)如今鬧鐘的改進(jìn)設(shè)計，在保留鬧鐘與鈴聲的同時，通過增加鬧鐘對用戶刺激的形式，也就是增加對不同感官的刺激，來實現(xiàn)對入睡中的使用者的預(yù)蘇醒，讓使用者可以有更舒適的起床感受。

1 現(xiàn)有叫醒裝置產(chǎn)品問題分析

隨著消費者消費需求的提升，智能產(chǎn)品消費迅速增長。通過前期對市場的分析與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在智能喚醒方面仍存在許多可改善的空間，在工業(yè)設(shè)計程序與方法里存在的一種方法，將兩種看似不想干的事物進(jìn)行結(jié)合，即將虛擬嗅覺與喚醒進(jìn)行結(jié)合便可以產(chǎn)生一種全新的智能叫醒裝置，其中虛擬嗅覺是指在用戶與虛擬環(huán)境的人機(jī)交互過程中，虛擬環(huán)境可讓用戶聞到逼真的氣味[1-2]。相比于傳統(tǒng)鬧鐘的直接與粗暴，智能嗅覺鬧鐘在各個方面都擁有許多小而美的優(yōu)點。過去為了發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)而去研究的數(shù)字氣味技術(shù)和虛擬氣味技術(shù)在現(xiàn)今也逐漸成熟。20世紀(jì)60年代虛擬嗅覺研究就已經(jīng)開始了?！疤摂M現(xiàn)實系統(tǒng)之父”Morton Heilig研制出“Sensorama”氣味容器，是虛擬嗅覺系統(tǒng)的鼻祖和雛形。直到1996年，Barfield W等[3]學(xué)者指出：“雖然嗅覺給人們提供了大量的信息，但是虛擬環(huán)境中嗅覺技術(shù)研究被大家忽視了”。1999年，Zybura M等[4]學(xué)者再次強(qiáng)調(diào)虛擬環(huán)境中嗅覺技術(shù)研究的重大意義及其巨大的應(yīng)用前景，并認(rèn)為虛擬現(xiàn)實的嗅覺技術(shù)研究在不久的將來會取得重大突破。

目前市場中存在的叫醒裝置（鬧鐘）大部分為負(fù)面反饋，即給予人不適的刺激，以強(qiáng)迫人們醒來。而本裝置通過進(jìn)一步的設(shè)計，使人們進(jìn)行自主的選擇，讓用戶擁有更多的選擇的權(quán)力，不同的時候選擇不同的喚醒方式，無論是香氛氣味抑或是刺激性氣體，也無論是車鳴聲鬧鈴抑或是鳥叫聲鬧鈴。由于這樣可以最大限度地解決人們被喚醒時的不適感，通過多感官（嗅覺、聽覺或者觸覺）不同的適度刺激來改善傳統(tǒng)叫醒裝置與人的交互方式，因此便于解決目前叫醒裝置存在的痛點。

2 新型叫醒裝置設(shè)計實現(xiàn)

2.1 提高用戶體驗的設(shè)計原則

現(xiàn)如今，產(chǎn)品不再只局限于滿足使用者所需要的功能，同時也要給使用者更加舒適的體驗感。ISO 9241-210-2010《人機(jī)交互的人類工效學(xué).第210部分:交互式系統(tǒng)用以人為主的設(shè)計》將用戶體驗定義為“人們對于針對使用或期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或者服務(wù)的認(rèn)知印象和回應(yīng)”[5]。

在現(xiàn)如今，為了提升用戶的體驗感，可以采用多種產(chǎn)品與使用者的交互方式，從不同的角度和方式將產(chǎn)品表現(xiàn)出的信息傳達(dá)給用戶，設(shè)計者更加關(guān)注用戶在接收信息的過程中的心情變化與感受。

在此次設(shè)計中，鬧鐘作為一個產(chǎn)品的第一觀感來自于視覺，其功能的重要體現(xiàn)在于叫醒正在睡眠的使用者的方式。在用戶睡眠時聽到尖銳的聲響而被驚醒時，用戶情緒在極短的時間內(nèi)達(dá)到低谷，為了緩和用戶的情緒，本裝置利用多種感官刺激的方式，將叫醒信號緩和，進(jìn)而改善鬧鐘的使用體驗。

2.2 叫醒裝置情感化設(shè)計的體現(xiàn)

情感化設(shè)計是為人服務(wù)的，“人”是最為核心的因素，重點在于用人性化的情感思想去思考和解決問題。為了讓使用者在反思層與產(chǎn)品產(chǎn)生共鳴，產(chǎn)品基于使用者的反饋，應(yīng)當(dāng)更加人性化，避免類似于驚嚇的行為。多感官刺激型鬧鐘將使用者由睡眠至蘇醒的時間周期加長，在鈴聲信號出發(fā)之前，利用燈光由暗到明亮的過程給使用者提供預(yù)蘇醒的時間，與此同時利用小型發(fā)電機(jī)帶動小型風(fēng)扇，吹出微風(fēng)對人的面部實現(xiàn)觸覺刺激以及負(fù)載的香薰片的味覺刺激。多種途徑與渠道的交互方式，增加了產(chǎn)品與人的交流維度。

2.3 叫醒裝置智能化設(shè)計的體現(xiàn)

所謂智能化設(shè)計，也就是隨著人工智能的發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品可以實現(xiàn)通過人類智能才能完成的工作[6]。為了讓產(chǎn)品可以為使用者提供更為豐富的用戶體驗方式，以單片機(jī)為總控制，結(jié)合數(shù)據(jù)與代碼，控制產(chǎn)品的行動。對于多感官刺激型鬧鐘的設(shè)計，智能化設(shè)計主要體現(xiàn)為對視覺、聽覺、嗅覺、味覺的信號的啟動與結(jié)束的調(diào)節(jié)以及其信號發(fā)出時間的配合。

與此同時，起床鬧鐘屬于家居產(chǎn)品類別，其主要的使用場景為室內(nèi)，例如臥室、客廳等場景?？紤]到用戶睡眠時不愿意被異物打擾，故產(chǎn)品需要與使用者保持一段距離。為了讓鬧鐘的各種信號刺激可以經(jīng)過一段距離傳遞到睡覺時的使用者，鬧鐘上的光源與風(fēng)扇口需要盡可能朝向使用者。使用者在睡眠狀態(tài)下并不是固定在相同的位置，而是有可能與設(shè)定鬧鐘時的位置相比有移動，為此，需要該鬧鐘利用傳感器感知在設(shè)定時間下使用者的位置。視覺刺激信號的主要接收器官為眼部，而嗅覺刺激信號的主要接收器官為鼻部，縮短信號源與接收者的距離可以提高信息傳遞的效率，因此，其傳感器應(yīng)自動識別使用者面部，利用單片機(jī)控制舵機(jī)，實現(xiàn)角度偏移朝向使用者面部。圖1為多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置外觀圖。

圖1 多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置外觀圖

3 叫醒裝置硬件組成

圖2為多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖。

圖2 多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖

1）單片機(jī)：作為一種集成在芯片上的嵌入式微控制器，它是集成計算機(jī)電路芯片。單片機(jī)由存儲器、中央處理器、運算器、控制器等部分組成[7]。用來控制整個系統(tǒng)的工作。由圖2可知，單片機(jī)在多感官刺激型監(jiān)控叫醒裝置電氣連接原理圖中起到類似大腦的作用，它向整個系統(tǒng)中各個硬件部分發(fā)出控制信號，來控制部件是否進(jìn)行工作。

2）12 V電池：采用12 V電池直流電源，為整個系統(tǒng)提供能量來源。

3）直流轉(zhuǎn)壓模塊：將12 V直流電壓轉(zhuǎn)化為5 V、3.3 V等直流電壓。得到一系列可用直流電壓，作為各個模塊的電源。

4）繼電器控制模塊：由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成[8]。繼電器起到類似開關(guān)的作用。當(dāng)時間達(dá)到用戶設(shè)定的起床時間時，通過單片機(jī)產(chǎn)生控制信號，利用繼電器將響鈴模塊、香薰模塊、風(fēng)扇模塊打開，實現(xiàn)對用戶的多感官刺激叫醒。

5）響鈴模塊：采用賀卡錄音芯。該模塊內(nèi)含存儲器，將提前錄制好的鈴聲存入芯片，當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)出的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動響鈴模塊，播放提前準(zhǔn)備好的鈴聲，實現(xiàn)最基本的聽覺刺激叫醒。

6）香薰模塊：采用加熱香薰片的形式。將香薰片附近放置電阻絲，當(dāng)接收到單片機(jī)的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動香薰模塊，電阻絲對香薰片進(jìn)行加熱，香薰片受熱后放出氣味，同時可利用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)，即改變輸出方波的占空比，控制電阻絲的溫度，控制氣味放出的速度，即在一定程度上控制室內(nèi)氣味濃度，實現(xiàn)對用戶的嗅覺刺激叫醒。

7）風(fēng)扇模塊：采用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊和帶風(fēng)扇葉的小型直流電機(jī)。當(dāng)接收到單片機(jī)的控制信號后，利用繼電器控制模塊啟動風(fēng)扇模塊，使直流電機(jī)開始工作。利用PWM技術(shù)，使得單片機(jī)輸出不同占空比的方波，得到不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，即得到不同的擋位的風(fēng)力，從而實現(xiàn)對用戶的觸覺刺激叫醒。

8）時間顯示模塊：利用STM32F407單片機(jī)自帶的液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），來實現(xiàn)實時時間顯示功能。

9）人體位置追蹤模塊：由紅外傳感器、舵機(jī)云臺組成。當(dāng)達(dá)到用戶預(yù)先設(shè)置的起床時間時，舵機(jī)云臺開始帶動紅外傳感器旋轉(zhuǎn)，使得紅外傳感器可以檢測捕捉到人體位置信息。當(dāng)捕捉到人體位置后，舵機(jī)云臺停止轉(zhuǎn)動，由于小型風(fēng)扇與紅外傳感器同方向，因此使得鬧鐘可以將風(fēng)扇對準(zhǔn)人，實現(xiàn)對用戶的觸覺刺激叫醒。

通過紅外傳感器檢測是否在規(guī)定距離內(nèi)有人存在，將檢測信號傳遞給單片機(jī)，利用單片機(jī)控制舵機(jī)云臺旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)云臺旋轉(zhuǎn)帶動紅外傳感器轉(zhuǎn)動，使得紅外傳感器檢測位置發(fā)生改變，當(dāng)紅外傳感器檢測到在規(guī)定距離內(nèi)有人存在時，單片機(jī)對檢測信號進(jìn)行邏輯判斷后，將控制信號傳給舵機(jī)云臺，控制其停止轉(zhuǎn)動，這樣可以使得風(fēng)扇對準(zhǔn)人體進(jìn)行吹風(fēng)；也可對單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，控制舵機(jī)到預(yù)定時間時將風(fēng)扇轉(zhuǎn)至特定位置，對特定人進(jìn)行吹風(fēng)而不影響其他人。

各個硬件之間的協(xié)調(diào)工作關(guān)系：在本裝置中，由12 V電池直流電源和直流轉(zhuǎn)壓模塊作為電源，向整個系統(tǒng)提供適用于各個器件的直流電壓和能量；單片機(jī)作為本裝置中的“大腦”，其控制舵機(jī)云臺、時間顯示模塊、香薰模塊、響鈴模塊、風(fēng)扇模塊，其中香薰模塊、響鈴模塊和風(fēng)扇模塊使用繼電器控制模塊，起到保護(hù)和開關(guān)作用；通過舵機(jī)云臺的轉(zhuǎn)動改變紅外傳感器和風(fēng)扇模塊的角度，使得紅外傳感器可以檢測到人體位置信息，將信息傳遞回單片機(jī)，這樣作為“大腦”的單片機(jī)控制風(fēng)扇模塊，從而進(jìn)行定向吹風(fēng)操作。圖3為硬件之間的協(xié)調(diào)工作原理圖。

圖3 硬件之間的協(xié)調(diào)工作原理圖

4 結(jié)束語

以單片機(jī)控制為基礎(chǔ)，以提高鬧鐘使用者的用戶體驗為目標(biāo)的感官刺激型新型鬧鐘，實現(xiàn)緩和鬧鐘使用者疲勞感的目的，使其更順利舒適地清醒。在保證產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)物質(zhì)使用功能的基礎(chǔ)上，從心理、生理、物質(zhì)以及精神等方面更大范圍地滿足了用戶的審美需求，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鬧鐘對老年人與聽力障礙人群作用降低的漏洞，達(dá)到了更佳的服務(wù)模式效果。