設(shè)計(jì)背景

地球是目前人類賴以生存的唯一家園，人類對(duì)環(huán)境的影響日益增加，環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。氣候變化是目前面臨最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。加強(qiáng)環(huán)境教育、提高人們的環(huán)保意識(shí)正在成為世界環(huán)保運(yùn)動(dòng)的主流。

設(shè)計(jì)目的

為了提高人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注，吸引更多的小朋友參與環(huán)境保護(hù)事業(yè)，我們做了“環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置”創(chuàng)意作品。本作品向人們展示了環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，使得環(huán)境數(shù)據(jù)變得生動(dòng)形象、有趣，互動(dòng)。

設(shè)計(jì)思路

“環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置”創(chuàng)意作品采集氣象站的風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)記錄，用語音、8x8x8的全彩光立方、8x8魔方的等互動(dòng)形式展示出來，具有良好的交互效果。數(shù)據(jù)積累后，可直觀看到環(huán)境的變化，從而關(guān)注環(huán)境。

設(shè)計(jì)過程

環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置主要由以下四部分組成。

1．氣象站

氣象站是獲得氣候常規(guī)數(shù)據(jù)的裝置，一般包括風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、雨雪、溫濕度、大氣壓力等傳感器，“環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置”使這些相對(duì)枯燥的數(shù)據(jù)更形象化。我們目前選取了風(fēng)速、風(fēng)向、和雨雪傳感器，后期會(huì)把大氣壓力、溫濕度的數(shù)據(jù)也添加到作品中。

2．8x8x8全彩光立方

光立方一直都是比較經(jīng)典的開源互動(dòng)作品，能更好地展示下雨的效果，所以我們選取了全彩的光立方作為這個(gè)作品中顯示下雨互動(dòng)信息的裝置。

RGB全彩光立方需要512個(gè)共陽RGB燈，制作周期比較長。

（1）RGB全彩燈的預(yù)處理。

（2）焊接8個(gè)豎排。

（3）8個(gè)豎排焊接到底板上，把每一層64個(gè)RGB燈的共陽極焊接到一起。

（4）底板是Arduino的控制器加74HC595的驅(qū)動(dòng)。

（5）進(jìn)行Arduino程序的測試。

3．8x8魔方

魔方是很多小朋友喜歡的益智玩具，因此在這個(gè)作品中把魔方元素融入進(jìn)去，這樣與小朋友會(huì)有很好的互動(dòng)效果。魔方的制作需要6個(gè)8x8的WS2812的全彩板，通過級(jí)聯(lián)控制一共有193個(gè)燈珠。

（1）把6個(gè)8x8WS2812模塊用導(dǎo)線級(jí)聯(lián)起來。

（2）用尼龍螺絲配合藍(lán)丁膠固定六個(gè)面。

（3）調(diào)整好每個(gè)面的WS2812的燈的編號(hào)。

（4）簡單程序測試，測試硬件連接。

4.語音互動(dòng)

（1）語音的交互是小朋友特別喜歡的，因此我們加入了語音識(shí)別的互動(dòng)部分。這個(gè)部分做了一個(gè)升降的裝置，用到了帶絲杠的減速電機(jī)。

（2）語音識(shí)別部分使用智能公元的SU-33離線語音模塊，結(jié)合Arduino進(jìn)行顯示和電機(jī)的控制操作，設(shè)置簡單。

（3）使用DRV8833電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，配合兩個(gè)觸碰傳感器，來控制環(huán)境氣象站頭部的上升位置和下降位置。

實(shí)現(xiàn)的效果

我們設(shè)計(jì)的“環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置”創(chuàng)意作品，用語音、8x8x8全彩光立方、8x8魔方等展示傳感器實(shí)時(shí)采集到的關(guān)于氣候的風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪等環(huán)境數(shù)據(jù)。

語音互動(dòng)裝置不僅可以跟人們進(jìn)行語音互動(dòng)，還有擬人化的效果。當(dāng)開始工作時(shí)，它緩緩從裝置里升起，同時(shí)展示藍(lán)天白云的氣象效果，讓人們感受優(yōu)良的環(huán)境，當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)他又緩緩的降下去，就像小朋友睡覺一般。

Arduino通過氣象站檢測到中東、南、西、北四個(gè)方向的數(shù)據(jù)后，控制8x8魔方上面三個(gè)面中白色的顯示位置，在設(shè)計(jì)者的視角方向，按照上北下南、左西右東的示意用白色的燈顯示。

Arduino通過氣象站檢測到風(fēng)速數(shù)據(jù)后，通過8x8魔方上方三個(gè)面中的兩個(gè)面的顏色顯示風(fēng)速強(qiáng)度，從綠色到紅色，逐步的標(biāo)示風(fēng)速由弱到強(qiáng)，8x8魔方下方三個(gè)面，顏色的紅、藍(lán)、綠顏色的變化速度也與風(fēng)速成正比。

8x8x8全彩光立方采集雨雪傳感器的數(shù)值，當(dāng)檢測到有雨雪氣候的情況下，光立方展示下雨的效果，并且伴隨著下雨聲，讓人聲臨其境。當(dāng)沒有雨雪的時(shí)候，光立方展示繁星點(diǎn)點(diǎn)的效果，并伴隨著鳥鳴蟬叫的夜晚的聲音，十分愜意。

上述互動(dòng)效果使人們能夠更直觀地關(guān)注到環(huán)境的變化，且具有良好的互動(dòng)效果，吸引人們積極參與到環(huán)境保護(hù)中來。

進(jìn)一步完善該項(xiàng)目的設(shè)想

目前“環(huán)境數(shù)據(jù)互動(dòng)展示裝置”實(shí)現(xiàn)了氣象臺(tái)風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪數(shù)據(jù)的采集、展示和互動(dòng)效果，基本達(dá)到了預(yù)期。后續(xù)我們將加入更多的傳感器，采集溫度、濕度、氣壓、污染指數(shù)等數(shù)據(jù)，融合更多的互動(dòng)元素，實(shí)現(xiàn)更豐富的互動(dòng)效果。

這個(gè)環(huán)境保護(hù)相關(guān)項(xiàng)目特別有意義，將會(huì)繼續(xù)研究下去。目前制作了16X16X16的光立方，融入更多的傳感器數(shù)據(jù)，探索更好的可視化、互動(dòng)效果，幫助人們更深入、全面了解環(huán)境的變化，促進(jìn)人與環(huán)境之間的和諧共生。