التصميم والتطوير المتمحور حول المستخدم لمفتاح إضاءة ذكي لأنظمة الاستشعار

1. المقدمة

يركز هذا البحث على التصميم المتمحور حول المستخدم (UCD) لمفتاح إضاءة ذكي، بهدف تعريف إيماءات طبيعية وبديهية للتحكم فيه. كان الهدف هو تطوير واجهة مستخدم متعددة اللمس ومفتاح إضاءة ذكي قائم على اللمس يمكن دمجه في البيئات المنزلية الحالية والتركيبات الكهربائية، سواء كان هناك نظام ذكي موجود مسبقًا أم لا. تعالج الدراسة فجوة حرجة في واجهات المنزل الذكي، حيث غالبًا ما يقوض تعقيد التحكم اعتماد المستخدمين.

يتضمن مفهوم "المنزل الذكي" أنظمة فرعية (الإضاءة، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، الأمن) متصلة بشبكة (إنترانت/إنترنت) للتحكم المركزي أو عن بُعد عبر الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية أو أجهزة الكمبيوتر. يمكن لهذه الأنظمة الاستجابة تلقائيًا للمعايير البيئية. تشمل بروتوكولات الاتصال الرئيسية لهذه الأنظمة X10 و UPB و KNX و LonTalk و INSTEON و ZigBee و Z-Wave.

1.1. الإضاءة الذكية

تُعد الإضاءة الذكية مكونًا أساسيًا للمنازل الذكية الموفرة للطاقة. إلى جانب توفير الطاقة من خلال دعم أجهزة الاستشعار والأتمتة، فإنها تسمح بالتحكم في الأجواء لتغيير جو المكان. ومع ذلك، تظل واجهات المستخدم للتحكم في الإضاءة نقطة ضعف في تصميم التفاعل، خاصة عند إدارة العديد من الوظائف مثل التعتيم والموقتات وإدارة المجموعات. غالبًا ما تكون الميزات المتقدمة متاحة فقط عبر تطبيقات الهواتف الذكية، مما يخلق تجربة مستخدم مجزأة. تمثل أنظمة تجارية مثل Philips Hue و LIFX تقدمًا ولكنها غالبًا ما تعتمد على محاور خارجية وتحكم مركّز على الهاتف المحمول.

2. منهجية البحث

استخدم المشروع عملية تصميم متمحورة حول المستخدم. تم جمع متطلبات المستخدم الأولية وأفكار الإيماءات البديهية. تم إنشاء نماذج ورقية أولية منخفضة الدقة لاختبار وتحسين مفاهيم الإيماءات للتحكم في الإضاءة (مثل النقر للتبديل، والتمرير للتعتيم، والقرص لتجميع الأضواء). تم استخدام هذه النماذج الأولية في جلسات اختبار قابلية الاستخدام مع المشاركين لتقييم البداهة وسهولة التعلم قبل بدء أي تطوير مادي.

3. تصميم وتطوير النظام

بناءً على النتائج المستخلصة من النماذج الورقية الأولية، تم بناء نموذج أولي مادي لمفتاح الإضاءة الذكي.

3.1. تعريف الإيماءات والنماذج الورقية الأولية

تم إنشاء نموذج التفاعل الأساسي من خلال الاختبارات التكرارية باستخدام النماذج الورقية الأولية. تم تحديد إيماءات مثل النقرة الواحدة للتشغيل/الإيقاف، والتمرير العمودي للتحكم في السطوع، وقرص/فتح إصبعين لضبط درجة حرارة الضوء (دافئ/بارد) على أنها بديهية للغاية. سمحت هذه الطريقة منخفضة التكلفة بالتكرار السريع بناءً على ملاحظات المستخدم المباشرة، بما يتماشى مع مبادئ التصميم المتمحور حول المستخدم التي تؤكد عليها منظمات مثل مجموعة Nielsen Norman.

3.2. واجهة متعددة اللمس ودمج الأجهزة

الواجهة الرئيسية هي لوحة لمس، تتيح التحكم في الأضواء الفردية أو المجموعات. تم تصميم المفتاح المطور للدمج في علب الحائط القياسية والتركيبات الكهربائية الحالية، مما يدعم التشغيل كجهاز مستقل وكجزء من نظام منزل ذكي أوسع (على سبيل المثال، باستخدام ZigBee أو Z-Wave للاتصال). نفذ النموذج الأولي للأجهزة إيماءات اللمس المتعدد التي تم التحقق من صحتها.

4. اختبار قابلية الاستخدام والنتائج

أكد اختبار قابلية استخدام النموذج الأولي المادي فعالية نهج التصميم المتمحور حول المستخدم. أبلغ المستخدمون عن رضا عالٍ بشأن بداهة الإيماءات. نجح المفتاح في توفير التحكم الأساسي في الإضاءة (التشغيل/الإيقاف، التعتيم) مباشرة على الجهاز، مما يقلل الاعتماد على تطبيق ثانوي للمهام الأساسية. تظهر النتائج أن التصميم المتمحور حول المستخدم هو طريقة قيمة لإنشاء منتجات المنزل الذكي ذات تجربة مستخدم (UX) جيدة، سواء كانت تحتوي على واجهة متعددة اللمس أم لا.

5. التفاصيل التقنية والنموذج الرياضي

بينما يركز البحث على التصميم، يمكن نمذجة النظام الأساسي. يمكن تمثيل مستوى السطوع $L$ كدالة لمسافة إيماءة التمرير للمستخدم $d$ (المقيسة بين 0 و 1) ومنحنى استجابة قابل للتكوين $\alpha$ على النحو التالي:

$L(d) = L_{min} + (L_{max} - L_{min}) \cdot d^{\alpha}$

حيث $L_{min}$ و $L_{max}$ هما الحد الأدنى والأقصى لإخراج السطوع. تعطي القيمة $\alpha = 1$ استجابة خطية، بينما توفر $\alpha > 1$ تغييرًا أوليًا أبطأ (أفضل لضبط الإضاءة المنخفضة الدقيق)، وتعطي $\alpha < 1$ تغييرًا أوليًا أسرع. يسمح ذلك بضبط استجابة النظام لتتناسب مع إدراك المستخدم، والذي غالبًا ما يكون لوغاريتميًا (كما في قانون ويبر-فشنر).

6. إطار التحليل: الفكرة الأساسية والنقد

مثال حالة لإطار التحليل

السيناريو: تقييم مفتاح ذكي لمنافس يستخدم مقبض دوار وزر.

تطبيق الإطار:

1. استعارة التفاعل الأساسية: هل المقبض (تناظري، مستمر) يتناسب مع النموذج الذهني للتعتيم بشكل أفضل من التمرير (رقمي، منفصل)؟ على الأرجح نعم من حيث الدقة، ولكن أسوأ لاختيار المجموعات.
2. سهولة التعلم مقابل القوة التعبيرية: المقبض الواحد سهل التعلم للغاية ولكنه قد يفتقر إلى القوة التعبيرية للمشاهد المعقدة. كيف يتم الوصول إلى المشاهد؟ النقر المزدوج؟ الضغط المطول؟ هذا يضيف تعقيدًا.
3. تكامل النظام: هل يؤدي تدوير المقبض محليًا إلى تجاوز الجدول الزمني الآلي؟ ما هي آلية التغذية الراجعة؟ عدم وجود تغذية راجعة واضحة على الحالة (التحكم المحلي مقابل الآلي) هو نقطة فشل شائعة.
4. إمكانية الوصول: هل المقبض قابل للاستخدام للمستخدمين ذوي المهارات الحركية الدقيقة المحدودة؟ قد تكون منطقة التمرير الكبيرة أكثر سهولة في الوصول من المقبض الصغير.

يكشف هذا النقد المنظم عن مقايضات غير مرئية من قائمة الميزات البسيطة.

7. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

المبادئ المثبتة لها قابلية تطبيق واسعة تتجاوز الإضاءة:

• لوحات التحكم متعددة الوظائف: يمكن لنفس عملية التصميم المتمحور حول المستخدم تعريف إيماءات للتحكم المتكامل في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والستائر وأنظمة الصوت على لوحة حائط واحدة واعية بالسياق.
• تحسين التغذية الراجعة اللمسية: يمكن لتكامل اللمسيات المتقدمة (مثل تلك من شركات مثل Lofelt أو Ultraleap) توفير تأكيد ملموس للإيماءات دون الحاجة للنظر، وهو أمر بالغ الأهمية لإمكانية الوصول وقابلية الاستخدام في ظروف الإضاءة المنخفضة.
• التخصيص المدعوم بالذكاء الاصطناعي: يمكن للمفاتيح المستقبلية استخدام نماذج tinyML على الحافة لتعلم أنماط إيماءات المستخدم الفردية وتفضيلات الإضاءة، وضبط منحنيات الاستجابة ($\alpha$ في النموذج) تلقائيًا أو اقتراح تفعيل المشاهد.
• التصميم المستدام: كتركيبة دائمة على الحائط، يمكن تصميم هذه المفاتيح لتدوم طويلاً للغاية، وقابلة للإصلاح، والتحديث (على سبيل المثال، حزم أجهزة استشعار معيارية)، مما يعاكس اتجاه الاستهلاك في الإلكترونيات الاستهلاكية ويتوافق مع حركة الحق في الإصلاح.
• التوحيد القياسي: هناك حاجة إلى معجم إيماءات مفتوح وخالٍ من الرسوم لضوابط المنزل الذكي، مشابه لمعايير USB-IF لفئات الأجهزة، لضمان الاتساق بين البائعين المختلفين ونقل تعلم المستخدم.

8. المراجع

1. Seničar, B., & Gabrijelčič Tomc, H. (2019). User-Centred Design and Development of an Intelligent Light Switch for Sensor Systems. Tehnički vjesnik, 26(2), 339-345.
2. Gartner. (2023). Hype Cycle for Emerging Technologies. Gartner Research.
3. Hassenzahl, M., & Tractinsky, N. (2006). User experience - a research agenda. Behaviour & Information Technology, 25(2), 91-97.
4. Nielsen Norman Group. (n.d.). Paper Prototyping: A How-To Video. Retrieved from https://www.nngroup.com
5. Microsoft. (2022). Guidelines for Human-AI Interaction. Retrieved from https://www.microsoft.com/en-us/research/project/guidelines-for-human-ai-interaction/
6. Zhu, J., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Cited as an example of a rigorous methodological approach in a different technical domain).
7. Weber, E. H. (1834). De pulsu, resorptione, auditu et tactu: Annotationes anatomicae et physiologicae. Leipzig: Koehler. (Weber-Fechner Law).