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《物联网技术》发表iCAN大赛获奖作品集锦 | 作品 · iCAN

  每一年iCAN大赛上所展示的作品都会让人耳目一新,新奇的点子加上先进的技术,这些作品将给人们的生活带来更多的乐趣和便捷。

  《物联网技术》发表了iCAN大赛2012-2017年的优秀获奖作品集锦,在这里节选两个优秀作品:

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  智能听力保护系统

  国防科学技术大学

  王 桢,刘 飞,朱莉珏

  摘要

  作品实现了一套既能自主屏蔽过滤高强度脉冲噪声, 又能放大微弱语音信号的智能听力保护系统。该系统能够在有效去除大响度声音的同时保证语音信号无损传输,可实现听力保护和正常语音交流的双重功能。系统具有体积轻巧、价格低廉、灵敏度高和性能稳定等优点,能够在一定程度上填补国内市场相关产品的空白,克服国外产品价格昂贵的缺点,适用于大规模配发部队和民用市场推广。

  关键词:听力保护;助听;屏蔽噪声;听力损伤

  

 

  智能听力保护系统实物图

  技术原理

  在具体实现过程中,系统采用双声音传感器,一路传感器A 用来实时监测工作环境中的声音强度,另一路传感器B用来实时采集并处理放大外界音频信号,且其工作状态受控于监测传感器A。A、B 两路传感器协调工作,性能稳定,能够保证正常的语音信号不失真,且受控的音频信号范围可根据不同应用场合的需求进行适当调节。当系统所采集到的环境声音强度高于所设阈值时,A 路传感器将给出相应的控制信号,切断助听开关。

  

 

  声音传感器产生控制信号的原理图

  其次,系统采用AGC 自动增益控制技术放大处理声音信号,即使输入声音信号在较大范围内动态变化,其输出仍能维持在一定范围内,既保证放大器对弱信号有足够的增益,又不至于因信号过强而堵塞饱和。因此,系统在实际噪声环境中工作时,可在较大的动态范围内合理放大语音信号,同时有效实现稳定的助听放大功能。

  目前,根据ISO所制定的听力保护标准,规定每周40 小时,每年50 周,连续噪声容许的最高限为LA=90 dB。考虑系统默认对正常语音信号的增益约为20dB,放大后人耳接收到的强度不应超过90 dB ;为达到良好的听力保护效果,当统所在工作环境中声音强度大于设定的阈值时,声音传感器A 将自动切断助听放大功能。

  为了实现有效稳定的保护措施,本作品设计了合理有效的延时触发电路,统筹安排两路声音传感器的工作时序,有效抑制因传感器工作状态突然跳变所产生的噪声。系统采用两个NE555 调节延时来保证声音信号开关的稳定性。当555 被触发时,其两路输出通过逻辑电路变换后输出控制电平,并通过三极管放大后驱动光耦开关,进而控制实现助听放大功能的声音传感器的开关。

  

 

  延时电路的原理图

  为控制整个系统的体积和重量,并保证其能够较长时间稳定可靠的工作,专门设计了电源供电电路。系统采用了一节5 号电池供电,经电源电路转换后可输出稳定的3.3 V 电压。

  

 

  电源电路原理图

  借鉴市场上常见的听力保护隔音耳塞和国外相关产品,本系统在耳罩前端置入隔音材料,能够在助听功能关闭时减轻约30 dB 的声音,这样既起到良好的消音作用,又不至于完全阻断声音而影响正常交流。

  创新点

  本作品不仅可以适度放大微弱的声音信号,而且能自主屏蔽有损听力的大响度声音,保证听力障碍人士在享受智能听力保护系统带来的益处的同时,避免受到突发大响度声音的惊吓和伤害。

  本作品采用双声音传感器配合工作的模式,可有效去除炮声等大响度声音的不利影响,同时保证正常语音信号几乎无损的传输;采用AGC 自动增益控制技术放大语音信号,在较大的动态范围内实现低噪声助听放大功能。

  通过设计合适的延时电路统筹安排两路声音传感器的工作时序,保证系统稳定可靠地工作,有效抑制传感器工作状态突变产生的噪声。

  应用前景和市场

  本作品具备声音放大功能,适合为听障人士提供一定程度的听力补偿,使患者回归有声世界;并且对声音实现智能“控制”,能够屏蔽有害噪声,功能更加人性化。

  本系统尤其适合听力障碍患者、炮兵部队、铁路及机场作业、管道作业及发电厂等,其所具备的功能可实现对传统助听器功能单一的弥补。倘若能装配到部队和相关产业,相信能实现听力保护从无到有的突破。

  目前,市场上常见的助听器价格从300 ~ 1 200 元不等,国外产品更加昂贵,而本作品成本仅为200 元左右,且体积轻巧,便于携带和日常使用,稳定性好,灵敏度高,无论日常环境、战备训练,甚至演习实战都能工作良好,相信如果装配部队或投放民用市场,都能收到良好的反馈和效益。

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  iShine智能创意多功能小风扇

  合肥工业大学

  徐玉炎,明轩,张时毓,刘晗

  摘要

  iShine 是一种功能增强型智能创意小风扇。iShine 在扇叶上放置了16 颗RGB LED,可在扇叶高速旋转时利用视觉暂留现象形成显示屏,并可以显示时间、温度、天气和文字,同时可通过蓝牙与手机连接来实现与手机的深度整合,以实现备忘提醒、短信提示、单词助记等功能。iShine 可通过手机、触摸按键、手势开关等多种方式进行控制,而且在底座增加有呼吸灯。

  关键词:智能小风扇;视觉暂留; 手机控制; 手势控制

  技术原理

  本产品由信息采集模块、外部控制模块、单片机、通信模块、显示模块、机械部分、供电系统和手机软件组成。

  

 

  功能框图

  信息采集模块

  系统中信息采集模块中的时钟芯片选用DS1302,用于采集时间信息。温度传感器选用DS18B29,用于采集温度信息。

  外部控制模块

  外部控制模块由手势开关和触摸按键组成,其中手势开关由三个光电传感器顺序摆放组成。一般情况下,向左切换模式,向右改变转速;当收到短信时,向左显示短信内容,向右返回;单词功能开启后,当有英文单词显示时,向左显示该单词中文释义,向右返回。

  触摸按键就是一个开关按键,可实现开关机。八个按键依次摆放,在上面滑动可改变所显示的颜色。

  单片机

  系统中的单片机有两片ATmega32A :一片位于底座,用于采集来自传感器和手机的信息并发送给另一片单片机;另一片位于扇叶中心圆盘,用于接收信息、处理数据并控制LED显示相应的内容。

  通信模块

  通信模块包括无线通信模块NRF24L01 和蓝牙通信模块HC-07。无线通信模块NRF24L01 用于实现两单片机之间的通信;蓝牙模块HC-07 则用于实现手机和单片机之间的通信。

  显示模块

  显示模块中的RGB(16 个) 可利用视觉暂留现象通过旋转显示所需图案。霍尔传感器用于测速和确定所显示图案的位置。

  机械部分

  机械部分主要是支架、电机和扇叶固定板。支架由不锈钢材料制成,起支撑固定作用。电机可固定在支架上端的半圆板上。扇叶固定板由铝板制成,可固定扇叶显示部分电路的组成的PCB 电路板,保证旋转扇叶的刚度。

  供电系统

  本系统使用输出为16 V 的AC/DC 电源适配器为风扇供电。16 V 电源接到电源管理模块,可输出5 V 直流电给单片机及传感器供电,同时输出3.3 V 直流电给NRF24L01 供电。显示部分则使用电刷旋转供电方式,用于为扇叶上显示部分电路供电。

  手机软件

  本智能风扇的手机软件运行于Android 2.2+ ,通过蓝牙串口协议与智能风扇进行通信,可实现调节速度、颜色,设定文本,同步时间,设定备忘,读取短信,设定待学习单词及其中文释义等功能。

  

 

  左图为在iShine 上自定义显示文字,右图为在iShine 上显示时间

  创新点

  (1)充分利用风扇运行时扇叶高速旋转的特点和视觉暂留现象,用一排LED 形成显示平面,形式新颖有趣,并可使资源利用最大化。

  (2)改善了现有风扇单一的功能,融合玩、帮、学于一体,做到一机多用,节约资源,提高效率。

  (3)实现与手机的深度整合。可以进行非接触控制,方便使用;用手机设定具体信息(如同步时间,设定具体文字、备忘内容、待学习单词等),提高了可玩性和多样性;可读取手机通信信息(如短信),更加个性化。

  (4)增加了手势开关和触摸按键等人机交互形式,使人机交互更加自然流畅,增强了实用性和趣味性。

  (5)在提示信息到来时,有转速改变和呼吸灯提示,保证信息不会遗漏,更加人性化。

  应用前景和市场分析

  本iShine 智能创意小风扇弥补了现有的电风扇功能单一化的不足, 及时补充了电风扇市场上的缺口, 可最终满足消费者变化多端的生活的需要。其次,也迎合消费者的需求, 从青年群体入手 , 逐渐形成多层次的利润空间, 可吸引更多的市场潜在消费者。另外,在中后期产品研发的过程中,还可逐渐针对不同的人群和用途进行详细分类,主要包括以下几类:

  (1)公共类:用于大型公共场合,用于公益、提醒、广告、时间显示等,起宣传作用。

  (2)助学类:适用于学生,功能丰富,价格较低。

  (3)幼教类:适用于儿童,造型可爱,具有识字、助记等功能。

  (4)创意类:小巧精致,可作为节日礼物等赠与他人。

  科技创新创业服务社会、改善人类生活。

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