基于傳感技術的體驗式室內溫濕調控助手設計

徐曉艷 張寒凝 （江南大學 214122）

基于傳感技術的體驗式室內溫濕調控助手設計

徐曉艷 張寒凝 （江南大學 214122）

文中通過嚴謹的技術原理和體驗式設計的方法，詳細描述了產品所涉及到的技術手段和實現過程，將對人的五官感受的深入研究，加入到產品設計中去，從而確保產品能夠和用戶盡行充分地互動，在真正意義上實現體驗式的產品設計。

產品設計；傳感技術；體驗設計；溫濕調控

21世紀，傳感技術已經成為信息產業的重要組成部分，作為人們感官的延伸，各類傳感器的研究和開發得到了社會的廣泛關注1。集成化智能傳感器將硬件與軟件結合，能夠完成檢測、判斷和信息處理等多種任務2，而將智能傳感技術應用于家用產品、提升用戶體驗水平已經成為未來產品發展的新趨勢。目前，很多學者在產品的體驗式設計方面展開了研究，魏偉舉例分析了產品體驗設計中的情感化策略3、牟峰通過分類體驗設計將用戶體驗進行細化研究4、陳為以手機為例詳細分析了用戶體驗設計的6個要素5，李世國通過結合現有的手機APP創新性地提出了“自我反饋”形式的體驗設計6等，但上述研究沒有涉及將智能傳感技術與體驗式設計的有效結合，這在一定程度上限制了智能產品體驗水平的提升。針對這一點，文中結合傳感技術與體驗式產品設計方法，通過實例討論了室內溫濕調控助手的設計研究過程，為傳感技術應用與體驗式產品設計的交叉領域的研究開拓了新思路。

一、產品技術原理與體驗設計的方法

（一）產品技術原理

室內溫濕調控助手主要采用溫濕傳感器、傾角傳感器和舵機作為傳感與驅動元件進行工作，其中溫濕傳感器是采用基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的單片集成溫度和濕度測量的微型傳感器7。如圖1所示，以瑞士Sensirion公司的數字溫濕度傳感器芯片SHT11為例，其已被廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。傳感器芯片工作時，兩個敏感元件分別將空氣的濕度和溫度信息轉換成電信號，該電信號首先進入信號放大器進行放大，然后進入一個14位的A/D轉換器，最后經過二線串行數字接口輸出數字信號。室內溫濕調控助手可以根據溫濕傳感器的測量信息實時驅動舵機運動，進而體現室內空氣的舒適程度感受意向。

圖1 溫濕傳感芯片內部結構示意圖

傾角傳感器實際上是運用慣性原理的一種加速度傳感器，其工作原理是通過實時測量加速度計算出傾斜角度，基于MEMS技術的傾角傳感器因使用壽命長、制造成本低、可靠性高等優勢得到了廣泛應用。其中諧振式加速度傳感器由支撐梁、質量塊、杠桿機構、諧振器、激振單元、拾振單元組成。當它開始工作時，質量塊將加速度轉化為慣性力，慣性力經過杠桿機構放大后作用于諧振器的軸向，引起諧振器的諧振頻率發生變化，由測得的諧振頻率推算出被測加速度。

室內溫濕調控助手中應用到的舵機是一種角度伺服驅動器，它通過接收一種特定的脈沖信號激發出與之相應的中位脈沖，兩個脈沖在一個加法器中進行相加得到了所謂的差值脈沖，此差值脈沖放大后就是驅動舵機正反轉動的動力信號。

在舵機運作時，控制電路板根據接收到的控制輸入信號來控制電機轉動，電機通過帶動齒輪組轉動并減速后傳動至輸出傳動軸，傳動軸上的光電編碼傳感器能夠實時監測軸轉過的角度并輸出一個電壓信號到控制電路板進行反饋，最后控制電路板通過對比輸入角度與監測角度來控制電機下一步的轉動方向和速度，從而精確控制轉動軸的停止位置。

（二）體驗式設計的方法

如圖2所示，體驗式設計內容主要包括“感官”體驗設計、“情感”體驗設計、“思考”體驗設計、“行動”體驗設計和“關聯”體驗設計5種類型，這5種體驗之間有著錯綜復雜的影響關系，用戶的最終體驗是這5種體驗設計相互作用并對產品設計產生影響的結果。因此，室內溫濕調控助手要提升用戶體驗，必須綜合考慮這5個方面的體驗設計因素。在感官體驗設計中，要重點運用對溫度和濕度的感覺達到創造知覺體驗的訴求目標；在行為體驗設計中，要增加使用者的身體體驗，將溫濕調控的操作賦予實際意義，形成人機之間的互動；在情感體驗設計中，以某種方式激發使用者的內在情緒，形成情感上的共鳴；在關聯體驗設計中，將溫濕調控與生活其他方面相關聯，使產品的存在自然而不突兀；在思考體驗設計中，以創意的方式解決溫濕調控問題，引起用戶的驚喜和興趣，為用戶創造解決問題的體驗。

圖2 用戶體驗體系

二、溫濕調控助手的技術實現流程

溫濕調控助手由溫濕感應器和加濕器兩部分構成，主要運用到的技術手段是溫濕傳感器、傾角傳感器和舵機驅動器三種，溫濕傳感器和傾角傳感器分別運用在溫濕感應器和加濕器中，而舵機則參與了兩部分運作過程。如圖3所示，溫濕感應器的外部結構主要有轉動軸、轉動外殼、底座外殼和電機及電機固定結構等，電機固定結構被安裝在底座的外殼中，當溫濕感應器工作時，電機工作帶動轉動外殼順著固定軸上的旋轉導軌螺旋式上升或下降，轉動外殼與固定軸的刻度相交處為當時室內空氣溫濕度狀況。

圖3 溫濕感應器的外部結構示意圖

溫濕感應器的內部結構主要由溫濕感應模塊、單片機、電機驅動模塊和舵機四部分組成，溫濕感應模塊感應到室內溫濕度的變化并將信息傳送到單片機中，單片機將信號寄存和轉換后發出指令，使電機驅動模塊驅動電運轉。

加濕器的技術原理要運用到傾角傳感器和舵機。如4所示的是加濕器的結構，主要包括加濕器上殼和底座兩部分，為便于拆卸清理及組裝，上殼和底座間用旋轉固定快拆結構連接，方便快捷。加濕器頂部漏斗狀的部件直接延伸到加濕器內部的水槽中，用戶直接從頂部進行加水。除水槽外的空間則安裝有傾角傳感器和舵機，加濕器的轉動引起傾角傳感器的感應，發送信號使舵機開始運轉，舵機驅動水槽中霧化器將水轉化為水蒸氣，此時加濕器開始工作。

圖4 加濕器的內部構件

三、溫濕調控助手的體驗式設計

室內溫濕調控助手包括加濕器和溫濕感應器兩部分，通過5種體驗式設計的方法將兩者的工作協調統一，使整個使用過程充滿體驗式的樂趣。在溫濕調控助手的感官體驗設計中，運用用戶最直接的視覺和觸覺為用戶創造使用體驗。加濕器的設計從外觀上來看非常小巧便攜，適應人手拿的大小且與溫濕感應器的造型相呼應，協調統一；底座部分的角度設計讓用戶能夠通過變換傾角來改變加濕器的工作狀態，使加濕器的傾斜開關設計能夠連續工作，產生的水蒸氣也能夠為用戶帶來觸覺上的享受。

在行為體驗設計的部分，用傾斜開關設計代替了傳統的按鈕式開關，用戶將其傾斜一定角度后加濕器便開始工作，放平穩后自動關閉，這個過程為用戶提供了不同的操作體驗，簡單而有趣。但加濕器底部的角度設計也引發對產品穩定性的考慮，通過對加濕器內部配重的設計，使加濕器在直立無水、直立有水和傾斜無水、傾斜有水這四種情況下都能夠保持穩定，可見內部配重恰當，能夠保證加濕器的正常工作。

就像人在較適宜的空氣環境中心情會隨之舒暢，在不適宜的環境中就會覺得煩躁一樣，溫濕感應器對室內不同空氣狀況的反應也是隨之變化的，這種基于情感體驗設計的方法能夠激發用戶的感官體驗，并與之形成共鳴。溫濕感應器在感應到室內溫室變化后連在外殼上的鋼絲會因轉動形成不同的形狀，如圖5所示，當室內高溫且干燥時，從頂部看，鋼絲呈順時針小幅度擴張；當室內空氣較為適宜時，鋼絲則大幅度張開；當室內空氣低溫且潮濕時，鋼絲呈逆時針較大幅度擴張。這種方式能夠將室內空氣的溫濕狀況更加直觀地展現出來，相較于直觀的溫濕度數值更能讓用戶產生興趣，使用戶在使用過程中感受到體驗式的樂趣。

圖5 溫濕感應器對溫濕度狀況的反饋

如圖6所示是基于關聯體驗設計方法的溫濕調控助手的交互模型樣本，植物枯萎需要澆水，空氣干燥則需要加濕，加濕器在溫濕感應器的提示下為空氣加濕，溫濕感應器隨之對經加濕的空氣做出感應和反饋，這種交互的過程是受到了“為植物澆水”這一生活細節的啟發，兩者間的關聯能夠讓用戶在使用溫濕調控助手時感到熟悉和親切，為用戶創造了獨特的使用體驗。

圖6 溫濕調控助手的交互模型樣本

思考體驗設計的方法要求以創意的方式引起顧客的驚喜和興趣，，對問題的集中和分散的思考，為顧客創造認知和解決問題的體驗。與常用的數字屏幕顯示溫濕度等方式不同，溫濕調控助手將溫度和濕度的刻度讀取方式設計成兩者相交讀取數值。溫濕感應器在感應到室內溫度和濕度的變化后，通過外殼順著固定軸上的旋轉導軌和螺旋式上升或下降，使外殼和固定軸上的刻度相交成特定的數值，同時連在外殼上的鋼絲因轉動形成不同的形狀來表現不同的空氣狀況，這種方式雖然將直觀的讀取方式取而代之，但卻能夠很好地引發用戶的思考和探究正確使用方式的興趣，為用戶增加使用體驗，吸引用戶再次使用。

四、室內溫濕調控助手的使用實驗

在室內溫濕調控助手的使用實驗中，分別對加濕器和溫濕感應器的使用及整體使用進行檢測。如圖7所示是針對加濕器傾斜式開關的使用實驗，從圖中可以看出加濕器小巧精致且便于手拿，在處于水平狀態時加濕器不工作，當傾斜一定角度時加濕器開始工作，加濕器明銳度較高，整個過程十分流暢。從使用體驗方面來講，用戶可以從加濕器頂部的漏斗口直接往加濕器中注水十分方便，傾斜式開關的有趣的使用方式也為用戶提供了獨特的使用體驗。

圖7 加濕器傾斜式開關的使用實驗

溫濕感應器主要負責對室內溫濕度的監控工作，如圖8所示是對溫濕感應器的溫濕感應情況的檢測，從圖中可以看出，溫濕感應器能根據不同的室內溫濕情況表現出不同狀態，連接在轉動外殼上的鋼絲隨著外殼的旋轉上升和下降呈現不同的形狀，高溫干燥時旋轉收攏，較適宜時疏松擴張，低溫潮濕時則會反向旋轉，同時轉動外殼和固定軸相交所得的刻度為當時室內溫濕情況。

圖8 溫濕調控助手整體工作過程的使用實驗

整個過程為：溫濕感應器監控到室內空氣干燥，此時鋼絲收起，加濕器為其加濕后鋼絲打開。溫濕感應器和加濕器兩者間相互協調，共同完成了對室內空氣的監測和調控，使用方法方便巧妙，使用過程舒適流暢。

五、結論

在室內溫濕調控助手的整個工作流程中，溫濕傳感器能夠使溫濕感應器精確地捕捉到室內溫濕度的變化情況，傾角傳感器為加濕器獨特的傾斜式開關設計提供了技術支持，而舵機則負責驅動產品整體正常運作。在體驗式設計原則的指導下，室內溫濕調控助手的設計更加注重產品和人的互動，也能夠更直觀地將信息反饋給用戶。

傳感技術的應用為室內溫濕調控助手提供了更高效的解決方案，體驗式設計的原則也為用戶帶來了更愉悅的使用感受。隨著傳感技術的高速發展，室內溫濕調控助手將充分調動用戶的五感體驗，協同產品與用戶間的互動，聯動智能技術服務，設計出智能傳感技術與體驗式設計有效結合的產品。

注釋：

1.葛運建，張建軍，戈瑜，吳仲城，高理富.無所不在的傳感與機器人感知[J].自動化學報，2002，28（S1）：125-133.

2.陸遙.傳感器技術的研究現狀與發展前景[J].監控技術，2009，9：273-274.

3.魏偉.產品體驗設計中的情感化策略[J].大眾文藝，2014，11：92-93.

4.牟峰，褚俊潔.基于用戶體驗體系的產品設計研究[J].包裝工程，2008，29（3）：142-143.

5.陳為.用戶體驗設計要素及其在產品設計中的應用[J].包裝工程，2011，32（10）：26-39.

6.李世國、程玖平、張玕.“反饋自我”形式的體驗設計與價值[J].包裝工程，2014，35（8）：52-60.

7.方震，趙湛，武宇，陳超，張博軍.基于 MEMS 技術的溫濕傳感器模擬和設計[J].監控技術，2004，23（3）：10-14.