基于NoisⅡ的智能沐浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 薛 治 李娣娜

1 智能沐浴系統(tǒng)在國內(nèi)的現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居在我國也得到了進(jìn)一步普及。但是在我國，智能家居的應(yīng)用并不普遍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能家居的全面化。沐浴作為人們不可缺少的一部分，在生活中有極其重要的作用。在當(dāng)前隨著人們生活水平的提高，生活節(jié)奏越來越快的環(huán)境下，人們追求一種輕松、賦予體驗(yàn)的生活方式[1]。對(duì)于工作壓力大、時(shí)間緊的人群而言，智能沐浴系統(tǒng)能更大的發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。人們對(duì)沐浴系統(tǒng)更關(guān)注其便利性、體驗(yàn)性和自動(dòng)化的特點(diǎn)。智能預(yù)約、節(jié)約時(shí)間、操作簡(jiǎn)單是沐浴系統(tǒng)的時(shí)代需求。因此設(shè)計(jì)了一款基于NoisⅡ智能沐浴系統(tǒng)其特點(diǎn)有定時(shí)預(yù)約，控制溫度，水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)，室溫平衡，節(jié)水沐浴的智能沐浴系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)思路

基于NoisⅡ的智能木沐浴系統(tǒng)主要有以下幾部分構(gòu)成：FPGA核心板、電動(dòng)閥門驅(qū)動(dòng)模塊、水溫溫度傳感器模塊、室溫溫度傳感器模塊、光電傳感器模塊、二氧化碳濃度傳感器、液晶顯示模塊、WiFi模塊和手機(jī)應(yīng)用程序組成。系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

FPGA核心板為主控部分，負(fù)責(zé)所有的狀態(tài)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理、邏輯執(zhí)行及控制[2]。通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程設(shè)定好洗澡時(shí)、水溫及沐浴方式，把數(shù)據(jù)傳到云端然后再由云端傳到WiFi接收模塊，經(jīng)FPGA處理，控制熱水器提前開啟加熱，若用浴缸沐浴會(huì)在合適的時(shí)間自動(dòng)把水調(diào)節(jié)到預(yù)定的溫度放到浴缸中，達(dá)到一定水位后水位傳感器把數(shù)據(jù)反饋給FPGA，關(guān)閉水閥。電動(dòng)閥門驅(qū)動(dòng)模塊和水溫溫度傳感器結(jié)合PID算法保持水溫恒定。在花灑模式下洗澡時(shí)光電傳感器模塊用于檢測(cè)人是否在花灑下，如果沒有在就停止放水，達(dá)到節(jié)水沐浴的效果，及非接觸用手勢(shì)調(diào)節(jié)水溫和水流大小[1]，如果下次沒有設(shè)置溫度則以調(diào)節(jié)后的溫度作為默認(rèn)溫度。洗澡時(shí)空間封閉，二氧化碳濃度急劇升高，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)自動(dòng)打開增氧機(jī)，為浴室補(bǔ)充充足的氧氣，避免在洗澡中出現(xiàn)缺氧昏迷。春夏秋冬洗澡需要室溫不同，F(xiàn)PGA會(huì)自動(dòng)控制換氣扇及浴霸把室溫調(diào)到最佳。通過液晶顯示當(dāng)前浴室溫度、水溫。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

FPGA核心板：NoisⅡ是Altera公司提供基于FPGA的嵌入式SOPC系統(tǒng)硬件平臺(tái)。利用SOPC Builder創(chuàng)建和配置NoisⅡ軟核處理器及其外設(shè)，生成系統(tǒng)軟核電路。利用NoisⅡ占用FPGA芯片資源少、成本低、移植性好[3]。

WiFi無線傳輸模塊：需要云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，選擇主芯片為HF-LPB1000的嵌入式超低功耗WiFi模組，WiFi模塊由WiFi連到云端通過UART串口與FPGA通信達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

溫度傳感器DS18B20，二氧化碳傳感器MG811，非接觸式水位傳感器XCK-Y26，光電傳感器E3F-DS30C4，它們都有低功耗，數(shù)據(jù)傳輸可靠，通信方式簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在家中，智能沐浴系統(tǒng)的硬件部分通過WiFi模塊與云端通信，上傳經(jīng)過FPGA的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，云端與WiFi模塊將手機(jī)App控制指令下發(fā)給FPGA執(zhí)行。若硬件部分與手機(jī)接入同一局域網(wǎng)，則App可直接與硬件通信，無需經(jīng)過云端。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。FPGA初始化串口，確保與WiFi模塊正常通信，然后初始化WiFi模塊，確保與云端正常通信。FPGA主控制器收到WiFi模塊從手機(jī)端發(fā)來的控制命令，并作出響應(yīng)。并把水溫信息及其它傳感器的狀態(tài)發(fā)送到手機(jī)。

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)智能沐浴系統(tǒng)是否穩(wěn)定，做了以下實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程定時(shí)定溫，系統(tǒng)自動(dòng)控制及其信息反饋。系統(tǒng)整體性能測(cè)試如表1所示。

通過本次測(cè)試，本系統(tǒng)有誤差，但是誤差在可接受范圍內(nèi)，說明本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠。

表1 性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

6 系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值

隨著國家的大力倡導(dǎo)，科技的不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的不斷完善。本系統(tǒng)主要解決人們?cè)阢逶r(shí)遇到的各種不便，旨在實(shí)現(xiàn)沐浴的自動(dòng)化、人性化、安全化、環(huán)?；?。比現(xiàn)在市面上的沐浴系統(tǒng)功能更全、自動(dòng)化成度更高、操作更簡(jiǎn)單、性價(jià)比更高、更安全、更節(jié)能等特點(diǎn)。

[1]何淼,韓茂盛,葉勇明,云雅楠,高宇楨.智能浴室管理系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2017,36(09)：106-107.

[2]李寧,卞祥.基于機(jī)智云的智能宿舍系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2016,6(02)：59-60+64.

[3]張敏,朱木,馬文潔,陳安偉.基于NoisⅡ的程控?cái)?shù)字信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(06)：8-10.