以Arduino平臺為基礎(chǔ)的智能硬件設(shè)計(jì)探討

昝道廣 梁肖裕 劉忠青 徐西彤 李晨輝 山東科技大學(xué)電氣信息系

隨著科技的不斷進(jìn)步，更多的技術(shù)人員將目光轉(zhuǎn)向了智能硬件產(chǎn)品，并將其運(yùn)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。因此我們有必要以智能硬件為研究對象，探討在以Arduino平臺為基礎(chǔ)的智能硬件設(shè)計(jì)的過程中存在的技術(shù)問題以及應(yīng)對方法，以求智能硬件設(shè)計(jì)工作更好地開展。

1.智能硬件的相關(guān)概念解讀

1.1 智能硬件的概念模型

智能硬件模型與我們所說的傳統(tǒng)意義上的工業(yè)產(chǎn)品最主要的區(qū)別在于是否能夠自主并且智能地完成人類所需完成的工作任務(wù)。傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品雖然能夠依照人類的需求出色的完成各種工作，但是畢竟其還是人類使用的工具，在行動上依舊是被動的地位，需要人工來發(fā)號施令，它們在其中只扮演一個(gè)操作者。而我們現(xiàn)在所說的智能硬件就改變了這一局面，通過計(jì)算機(jī)和傳感等技術(shù)的綜合應(yīng)用，智能硬件產(chǎn)品已經(jīng)可以做到和人類進(jìn)行系統(tǒng)的交流，并且能夠根據(jù)需要自己來安排各項(xiàng)工作，減輕工作人員的負(fù)擔(dān)。

1.2 智能硬件的交互方式

在以往的屏幕操作當(dāng)中，計(jì)算機(jī)雖然能夠通過程序員的指令來準(zhǔn)確的完成工作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與人的互動，但是人們卻也只能通過屏幕和計(jì)算機(jī)進(jìn)行溝通，我們需要的是一種非屏幕媒介，真正的讓操作更智能。于是智能硬件便應(yīng)運(yùn)而生，智能硬件的一大特點(diǎn)是軟件與硬件相輔相成，通過軟件來控制硬件，真正達(dá)到智能的效果，根據(jù)用戶的不同操作習(xí)慣和需求，智能硬件也可以自由的轉(zhuǎn)化，從根本上滿足人類的需要，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的智能互動。

2.Arduino平臺相關(guān)概念解讀

2.1 Arduino的平臺構(gòu)成

Arduino是一個(gè)開放源代碼的單芯片微電腦，它包括一個(gè)硬件平臺和一個(gè)開發(fā)工具，而這種開發(fā)工具中有方便程序員調(diào)用的類庫，程序員只需要在這種類庫中尋找并且編寫合適的程序代碼，并將其上傳到Arduino電路板中，程序就可以執(zhí)行所需的操作，完成工作任務(wù)。

2.2 Arduino的平臺特點(diǎn)

2.2.1 節(jié)約成本

開發(fā)一種新的產(chǎn)品，往往需要投入更多的人力和物力，但是Arduino平臺的建成卻真正實(shí)現(xiàn)了物美價(jià)廉。不僅僅是它所需的設(shè)備價(jià)格更加低廉，Arduino平臺的各種控制器和傳感器的接口都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，因此開發(fā)者可以選擇不同價(jià)位的產(chǎn)品來與之配合，有更多選擇的可能。

2.2.2 編程方式簡單易行

Arduino平臺相對來說操作起來簡單易行，原理也并不復(fù)雜，所以有更多不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者開始學(xué)習(xí)并運(yùn)用Arduino平臺，這不再是電子工程師或者編程人員的專利，一些美術(shù)設(shè)計(jì)者和DIY愛好者都從這一平臺中受益，越來越多的人愿意去嘗試這一技術(shù)。

2.2.3 開源的軟件和硬件

Arduino平臺的硬件原理圖、電路圖及其軟件和類庫文件都是經(jīng)過開源的，所以在此范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需求任意尋找和修改相應(yīng)的程序及代碼，操作起來更加方便快捷。不僅如此，Arduino平臺被開發(fā)出來以后，受到了很多設(shè)計(jì)者的支持和青睞，所以越來越多的開發(fā)者不斷地為類庫做著補(bǔ)充，開源之后的資源也就越來越多。

3.智能硬件的交互特征與設(shè)計(jì)原則

3.1 交互特征

智能產(chǎn)品之所以智能是因?yàn)樗軌蜻B接互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。以智能家電為例，如果家里的電視、冰箱等需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，就必須集成網(wǎng)絡(luò)模塊，通過衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)與終端進(jìn)行連接，這樣客戶就可以通過移動終端來對家中的電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，調(diào)整工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)的智能家電確實(shí)如此，但是我們依然看到了這一操作的弊端，也就是必須需要人工來調(diào)整，還不能實(shí)現(xiàn)完全的智能，那么智能硬件產(chǎn)品的誕生，就解決了這一問題，它能夠根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的功能輸出。通過傳感器收集外界環(huán)境和自身需求的變化數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳入微型電腦后，對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操作。但是即使是這樣的智能操作，前提也是由設(shè)計(jì)師將可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)提前輸入到產(chǎn)品當(dāng)中去的，然而在實(shí)際生活當(dāng)中，不同的用戶所使用家電的實(shí)際情況也不盡相同，這也就使得智能家電并不能滿足每一個(gè)客戶的需要。因此未來智能硬件的設(shè)計(jì)目標(biāo)和重點(diǎn)要放在數(shù)據(jù)的處理上，將產(chǎn)品感應(yīng)端收集到的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器進(jìn)行處理，為用戶提供最佳的解決方案。

3.2 設(shè)計(jì)原則

3.2.1 可靠性

智能硬件產(chǎn)品被公眾所信賴的前提是它具有可靠性，所以智能硬件產(chǎn)品要努力避免發(fā)生故障。在設(shè)計(jì)的過程中，由于智能硬件集成了機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器模塊，因此在其內(nèi)部往往會發(fā)生矛盾，如果解決不到位，很有可能使得產(chǎn)品出現(xiàn)一系列的故障。

3.2.2 效率性

我們設(shè)計(jì)智能產(chǎn)品的初衷就是要提高產(chǎn)品的工作效率，方便我們的工作和生活。如果不能夠滿足工作的效率性，那么也就沒有了智能硬件產(chǎn)品最重要的價(jià)值，再高端的設(shè)計(jì)也只能是形同虛設(shè)。

3.2.3 容錯(cuò)性

剛開始接觸智能硬件產(chǎn)品時(shí)，用戶在操作上不可避免的會出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，如果一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤就導(dǎo)致產(chǎn)品的故障，那么就會讓客戶產(chǎn)生抵觸心理。因此提高產(chǎn)品的容錯(cuò)性是十分必要的，這會鼓勵用戶不斷的嘗試和學(xué)習(xí)產(chǎn)品，最終接受產(chǎn)品。

4.結(jié)語

人們生活水平的不斷提高，推動著智能產(chǎn)品的更新?lián)Q代。Arduino平臺作為智能硬件設(shè)計(jì)開發(fā)的重要平臺，為智能硬件產(chǎn)品的開發(fā)提供了有力的支持，技術(shù)工作者要在智能硬件產(chǎn)品的研發(fā)過程中不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，以求滿足更加廣泛的需求。