智能學(xué)習(xí)桌椅控制方案設(shè)計(jì)

不斷發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，以信息技術(shù)為代表的科技產(chǎn)品在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越普及，使用計(jì)算機(jī)芯片處理器為核心部件智能處理系統(tǒng)等新技術(shù)的智能家具規(guī)模越來越大，逐步發(fā)展成獨(dú)立型產(chǎn)業(yè)。智能化家具的智能控制，實(shí)現(xiàn)了家具功能的自動(dòng)化啟動(dòng)，滿足人們對生活品質(zhì)的追求，但其中的有些傳統(tǒng)的家具使用功能的智能化可能被忽視，如常見的學(xué)習(xí)座椅系統(tǒng)，雖然在產(chǎn)品的可升降性上略微有智能的雛形，但其產(chǎn)品的定位僅限于學(xué)習(xí)的青少年或?qū)W齡兒童使用，無法適用量大面廣其他不同社會(huì)工作者需要，造成一個(gè)家庭為滿足不同人員使用而需要購買多件桌椅的問題，因此，在智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中還存在智能型人性化設(shè)計(jì)需求的空缺。

一、基于單片機(jī)的智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)介紹

1.1智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的概念

智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)，是通過嵌入式硬件和軟件程序，采用適宜的結(jié)構(gòu)對多個(gè)不相同種類來源和反饋的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，將人的行為過程有控制器進(jìn)行智能虛擬仿真，對收集到的各類信號按預(yù)設(shè)的處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、邏輯判別和信息反饋，信息管理平臺準(zhǔn)時(shí)獲得處理后的信息輸入，使學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)具備部分人工智能后能解析、判辨使用對象的行為方式和使用習(xí)慣，依照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行管理并采取行動(dòng)，為使用者提供的工作和學(xué)習(xí)氛圍便捷、高效、安逸。智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)采用了包括傳統(tǒng)的家具制造、機(jī)電控制、電子信息、數(shù)字通訊、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)等的多種技術(shù)集成。

1.2基于單片機(jī)的智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)特點(diǎn)

在智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)產(chǎn)品中，單片機(jī)是“控制中樞”，將其與傳感器、通信部件和機(jī)械裝置等安裝到智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中，并將嵌入式控制系統(tǒng)固化在其內(nèi)部，控制系統(tǒng)通過應(yīng)用程序控制和管理智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)產(chǎn)品中的傳感器和機(jī)械裝置，甚至利用家庭總線技術(shù)（HBS）的功能，將智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)通過通訊設(shè)備連接到家庭智能化系統(tǒng)中，使其之間保持協(xié)調(diào)。同時(shí)，智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)產(chǎn)品中的各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)在上位機(jī)顯示屏上或聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)APP來實(shí)時(shí)掌握如桌椅的狀態(tài)、學(xué)習(xí)環(huán)境的光照條件，使用延續(xù)時(shí)間等不同狀態(tài)參數(shù)，并可利用預(yù)設(shè)參數(shù)或手機(jī)APP等手段控制桌椅面的升降，角度的調(diào)整、亮度的控制以及工作狀態(tài)提醒等各項(xiàng)操作。

二、智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的組成

作為集成控制系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成包括硬件和軟件兩大部分。硬件通常由控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器、桌椅本體（工作裝置）等五部分組成；軟件則主要有控制程序。

（1）控制系統(tǒng)：在智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中，作為控制系統(tǒng)的“中心神經(jīng)系統(tǒng)”由單片機(jī)為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)電路等重要控制模塊組成，通過單片機(jī)，按照預(yù)先設(shè)置的專門控制程序，將專用的軟件平臺與微處理器（CPU）或微控制器（MCU）的系統(tǒng)電路相組合，采集和處理各類數(shù)據(jù)、通過邏輯和算法處理后計(jì)算控制量。同時(shí)指揮學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)所有的工作由接口電路通過控制語言來向系統(tǒng)每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)所有的工作自動(dòng)控制的精準(zhǔn)性和真實(shí)性由核心控制模塊決定，系統(tǒng)的智能調(diào)控是在設(shè)計(jì)時(shí)將準(zhǔn)備實(shí)施的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)內(nèi)并通過單片機(jī)的讀取執(zhí)行達(dá)成，因此在設(shè)計(jì)中需充分考慮系統(tǒng)的價(jià)值功能比。

（2）執(zhí)行系統(tǒng)：智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，根據(jù)輸入的電信號，由控制器發(fā)出線、角位移量的指令信號，末端被控單元借助于動(dòng)力元件做出相應(yīng)的動(dòng)作。該系統(tǒng)一般可使用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等以電力驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，考慮到智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)本身的體量空間，選擇執(zhí)行系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)選用體小力大的電機(jī)為宜。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)：智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中作為傳遞動(dòng)力機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)桌椅諸如高度變化、角度變化等狀態(tài)變化等調(diào)節(jié)功能，其工作裝置需要利用一些傳動(dòng)裝置作直接物理性的動(dòng)作。

（4）傳感器：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息（如物理?xiàng)l），按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息傳遞給其他裝置或器官的一種物理裝置，讓物體慢慢變得活了起來。在智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中，桌椅系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)控制量由傳感器檢測后通知控制器，即形成智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的“感官”。智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)依據(jù)均為傳感器提供，執(zhí)行和傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性來自采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，精準(zhǔn)、穩(wěn)定的傳感器必須是首選。

（5）家具本體：智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)桌椅產(chǎn)品本身是系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)，智能學(xué)習(xí)桌椅所有其他功能機(jī)構(gòu)均依附體在該本體而整個(gè)系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。

（6）軟件程序：主程序、數(shù)據(jù)采集程序和其他系統(tǒng)功能程序是構(gòu)成智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的主體，其他軟件還包括控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能要求、服務(wù)性程序?qū)ο到y(tǒng)實(shí)行檢測、人機(jī)接口、對外圍設(shè)備管控以及自檢程序以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行等。

三、智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)方法

3.1智能調(diào)節(jié)

使用者在閱讀、書寫等學(xué)習(xí)時(shí)，桌面設(shè)計(jì)成可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，包括功能角度調(diào)節(jié)：座斜角（座面相對水平面的傾斜角）、背斜角（靠背相對垂直面的夾角）、腰枕位置自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為使用者提供通過調(diào)節(jié)保證合理坐姿或舒適的坐姿變換。功能高度調(diào)節(jié)：座位高和桌面高、靠背高、扶手高自動(dòng)調(diào)節(jié)。從而保證使用者使用方便、防止手臂疲勞。距離檢測模塊是采用紅外漫反射傳感器檢測實(shí)際距離，通過對比使用者匹配的距離與人體尺度的數(shù)據(jù)，及時(shí)糾正出現(xiàn)的較大偏差，保證座椅系統(tǒng)的使用狀態(tài)始終良好。對于自動(dòng)調(diào)節(jié)部分根據(jù)距離檢測模塊的數(shù)據(jù)設(shè)定出運(yùn)動(dòng)軌跡，用直流電機(jī)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)的絲桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)作為位移變動(dòng)裝置，位移自動(dòng)變化的功能通過控制絲桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間和速度來實(shí)現(xiàn)。

3.2智能照明

良好的照明環(huán)境是學(xué)習(xí)的保障，是影響學(xué)習(xí)效率的重要因素，且在學(xué)習(xí)環(huán)境中是近距離接觸光照，持續(xù)使用時(shí)間一般相對較長，過強(qiáng)和過弱的照明都有損眼睛健康。智能照明是將照明功能內(nèi)嵌到學(xué)習(xí)桌上，通過光敏電阻，對外界環(huán)境和人工光照強(qiáng)弱進(jìn)行檢測、報(bào)警，從照度、照射時(shí)間、照射方式等方面利用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，從使用者的角度出發(fā)，保證學(xué)習(xí)工作時(shí)光線合適、時(shí)間適度，享受到最舒適的體驗(yàn)，也能達(dá)到預(yù)防眼睛疲勞減少近視的目的。

3.3智能提示

學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中桌面堆放雜亂、儲(chǔ)藏或加載物品重量超過桌椅的承載能力等非正常使用時(shí)，學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警告，確保學(xué)習(xí)桌椅使用的整潔和使用安全性。當(dāng)使用者長時(shí)間學(xué)習(xí)或同一姿勢長時(shí)間工作時(shí)，該系統(tǒng)的坐姿檢測模塊將單片機(jī)作為主控模塊的中央處理單元，利用系統(tǒng)中定時(shí)器、紅外漫反射傳感器的采集的數(shù)據(jù)，按照一定的邏輯分析判斷后通知使用者的坐姿合理與否。根據(jù)使用者的習(xí)慣事先設(shè)置的參數(shù)，比對使用過程中的情況，智能學(xué)習(xí)桌可以對非合理狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的整改指令，甚至能做工作計(jì)劃安排和備忘，幫助使用者養(yǎng)成良好的習(xí)慣和形成健康的作息時(shí)間。

3.4其他智能功能

外部環(huán)境對學(xué)習(xí)的影響非常大，所以要使學(xué)習(xí)者處于舒適的環(huán)境之中而減少受到影響。在智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中設(shè)置的環(huán)境監(jiān)測模塊通過DHT傳感器處理溫度、濕度等的數(shù)據(jù)，監(jiān)測學(xué)習(xí)環(huán)境的質(zhì)量，在不達(dá)標(biāo)的狀態(tài)下采取相應(yīng)措施，如通過智能控溫來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)桌椅溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)或連接室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)溫，讓使用者處于安全舒適的環(huán)境之中。使用者可以通過來自傳感器收集的各類數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆品?wù)平臺后的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果來掌握使用的情況，通過比對后有效地調(diào)整改進(jìn)不足之處，從而更好地使用，由此，諸如此類的智能功能將形成一個(gè)完整的系統(tǒng)來提高學(xué)習(xí)效率。

四、智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)硬件技術(shù)設(shè)計(jì)

在硬件技術(shù)上，智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)中作為“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”最為關(guān)鍵的單片機(jī)技術(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾方面：

（1）CMOS化：由半導(dǎo)體技術(shù)制造的CMOS芯片，運(yùn)行過程中靜態(tài)功耗小，且對功耗的損失能有效控制，基于CMOS能精細(xì)管理功耗，CMOS化的單片機(jī)滿足智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保的要求。

（2）大容量化：學(xué)習(xí)工作條件要求的提高，智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)被賦予多用途多功能的期望也不斷增多，只有大容量的存儲(chǔ)器才能解決這些多功能集成技術(shù)對微處理器的高性能要求，因此，有必要不斷提升存儲(chǔ)技術(shù)，采用新的工藝，制造和應(yīng)用大容量的芯片內(nèi)存儲(chǔ)器滿足需求。

（3）高性能化：精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的作用和采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，中央處理器的性能被大大提高，從而進(jìn)一步加快了指令的處理能力和運(yùn)算速度，相應(yīng)的系統(tǒng)控制可靠性也進(jìn)一步提高。提高的運(yùn)算速度和可靠性使得引入虛擬外圍設(shè)備成為可能，在系統(tǒng)中通過軟件模擬I/O功能，滿足未來智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)的多功能、高性能的要求。

（4）外圍電路內(nèi)裝化：隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)和工藝的不斷改進(jìn)，單片機(jī)外圍的電路趨于內(nèi)裝化，在智能學(xué)習(xí)座椅系統(tǒng)中常用的警蜂鳴器、監(jiān)控時(shí)鐘、屏幕顯示驅(qū)動(dòng)器等外圍功能器件能夠集成到單片機(jī)中，從而單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化和規(guī)范，引腳相應(yīng)減少，其集成度更高、體積更小和功能更強(qiáng)，盡可能減少智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)整體造型設(shè)計(jì)的影響。

總結(jié)

快速發(fā)展的智能家居產(chǎn)品極大地改善了人們的生活，但現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的路要走，積極探索一個(gè)完整智能功能的智能學(xué)習(xí)桌椅系統(tǒng)來提高學(xué)習(xí)效率，有必要不斷改進(jìn)和探索單片機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用，使其能更好地服務(wù)于人們的生活。

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