基于Arduino平臺(tái)的衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳秀明

摘 要：本系統(tǒng)突出衛(wèi)生間的人性化智能控制，其具有可靠、穩(wěn)定、無(wú)操作的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用ATmega328P單片機(jī)為核心的Arduino UNO R3開(kāi)發(fā)板作為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，通過(guò)傳感器采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、人員進(jìn)出數(shù)量、如廁時(shí)間的數(shù)據(jù)?？梢苑奖憧旖莸倪M(jìn)行衛(wèi)生間排氣通風(fēng)、照明控制、沖水控制。設(shè)計(jì)節(jié)省了平均使用時(shí)間，減少資源浪費(fèi)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞：智能控制;排氣通風(fēng);照明控制;沖水控制

1 緒論

在日常生活中，衛(wèi)生間是常用場(chǎng)所，尤其是公共衛(wèi)生間，更是解決了人們?nèi)粘３鲂兄须y免要遭遇的尷尬之急，但是公共衛(wèi)生間卻存在著許多衛(wèi)生問(wèn)題。以校園衛(wèi)生間為例，大部分都存在著大小便不沖、味道難聞、排氣不通、照明設(shè)施故障等諸多問(wèn)題。

隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，智能控制在衛(wèi)生間應(yīng)用也發(fā)揮作用，對(duì)于衛(wèi)生間照明用電，沖水實(shí)現(xiàn)了精確控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水用電。本衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是能實(shí)現(xiàn)大幅度的減少燈具的使用時(shí)間和能源消耗，相對(duì)于普通的照明系統(tǒng)，至少可以節(jié)約20%～25%的資源需求，減少家庭和學(xué)校、醫(yī)院、公共衛(wèi)生間等大型場(chǎng)合的電費(fèi)支出。同時(shí)，排氣系統(tǒng)能達(dá)到保證空氣暢通，衛(wèi)生間無(wú)異味，減少衛(wèi)生間細(xì)菌傳染，滿足人們對(duì)于衛(wèi)生間里干凈、清潔要求，同時(shí)提高公共衛(wèi)生間的管理維護(hù)效率的要求。

2 智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

2.1 ?衛(wèi)生間控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外衛(wèi)生間照明控制的基本方式有區(qū)域控制、網(wǎng)絡(luò)控制、點(diǎn)控制、節(jié)能控制等。如在學(xué)校教學(xué)樓的公共廁所使用時(shí)間基本是白天，照明是手動(dòng)點(diǎn)控制開(kāi)關(guān)，沖水為手壓式壓力沖水閥，沒(méi)有排氣扇。而宿舍衛(wèi)生間使用時(shí)間為全天，照明是區(qū)域控制，由宿管電箱控制，沖水為手壓式壓力沖水閥，沒(méi)有安裝排氣扇。

通過(guò)研究照明、排氣、沖水等存在問(wèn)題，得出需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題主要包括傳感器采集數(shù)據(jù)參數(shù)干擾問(wèn)題、數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題、如何實(shí)現(xiàn)弱電路對(duì)強(qiáng)電路的進(jìn)行控制的問(wèn)題、照明燈具的開(kāi)關(guān)兼容手動(dòng)自動(dòng)措施、如何實(shí)現(xiàn)智能化，解決以上關(guān)鍵問(wèn)題是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

2.2 ?衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

該智能控制系統(tǒng)主要組成部分有輸入單元、系統(tǒng)單元[2]和輸出單元。輸入單元即是傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)單元是單片機(jī)處理輸入單元的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理得到的反饋。輸出單元是接收系統(tǒng)單元的處理指令，然后作出相應(yīng)的控制。

通常情況下，高校衛(wèi)生間控制系統(tǒng)主要是保障人走燈滅通風(fēng)，如果有人進(jìn)入衛(wèi)生間，通過(guò)門(mén)時(shí)會(huì)觸感傳感器，微處理器根據(jù)信號(hào)的不同，可以判斷是有人進(jìn)去還是有人出來(lái)，統(tǒng)計(jì)進(jìn)出的人數(shù)差，判斷這個(gè)值是否等于0來(lái)打開(kāi)或者是關(guān)閉照明。超聲波傳感器監(jiān)測(cè)人如廁時(shí)間，通過(guò)時(shí)間來(lái)確定沖水閥打開(kāi)時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。氨氣傳感器和煙霧傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)衛(wèi)生間空氣問(wèn)題，當(dāng)氨氣濃度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)排氣扇;當(dāng)煙霧濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)排氣扇;根據(jù)兩個(gè)信號(hào)時(shí)或的關(guān)系，當(dāng)有一個(gè)滿足條件時(shí)，就打開(kāi)排氣扇，進(jìn)行衛(wèi)生間通風(fēng)。

2.3 ?實(shí)現(xiàn)智能化的途徑和解決方案

在衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要考慮到了節(jié)能環(huán)保、方便快捷兩方面因素，對(duì)衛(wèi)生間照明排氣沖水進(jìn)行系統(tǒng)性的改造，做到系統(tǒng)能高效利用能源，最低限度的能源實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間照明，空氣暢通以及節(jié)約用水。在保證照明質(zhì)量的同時(shí)，有效的避免能源的浪費(fèi)。

衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)主要由中央控制單元、門(mén)口數(shù)量檢測(cè)單元[3]、空氣監(jiān)測(cè)單元、燈光控制單元、排氣通風(fēng)控制單元、智能沖水閥這幾部分組成。

在本系統(tǒng)中，每個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)生間都會(huì)有一個(gè)中央處理器[4]，采用的是國(guó)產(chǎn)的Arduino UNO R3，低功耗高性能以ATmega328為核心的單片機(jī)，主要組成部分有復(fù)位按鈕、外接電源孔、自動(dòng)保險(xiǎn)絲，其中傳感器[5]將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集起來(lái)并且存儲(chǔ)，通過(guò)內(nèi)置時(shí)鐘和燒寫(xiě)的程序進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送到繼電器實(shí)現(xiàn)低電壓控制市電的操作。

3 系統(tǒng)調(diào)試及問(wèn)題分析

3.1 ?系統(tǒng)調(diào)試

靜態(tài)調(diào)試：對(duì)于硬件電路進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否有未連接的部分，焊口是否牢固等。同時(shí)用萬(wàn)用表進(jìn)行電路檢查，開(kāi)路、短路的地方是否滿足要求，電源地線是否達(dá)到要求等。繼電器是否符合相關(guān)工藝規(guī)范。

軟件調(diào)試：Arduino的語(yǔ)言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的C語(yǔ)言。

用C語(yǔ)言進(jìn)行衛(wèi)生間智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，當(dāng)軟件編寫(xiě)完成之后，在Virtual Breadboard軟件當(dāng)中進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)軟件的程序檢查調(diào)試。通過(guò)Virtual Breadboard軟件進(jìn)行具體的調(diào)試。

動(dòng)態(tài)調(diào)試：當(dāng)軟件調(diào)試完成之后，把程序燒寫(xiě)在單片機(jī)上，然后進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。通過(guò)實(shí)際檢查，發(fā)現(xiàn)一些邏輯過(guò)程當(dāng)中的問(wèn)題。

3.2 ?出現(xiàn)的問(wèn)題及分析解決

問(wèn)題1：在環(huán)境光滿足衛(wèi)生間自用時(shí)，系統(tǒng)仍在工作。

分析解決：在戶外設(shè)置幾個(gè)光照強(qiáng)度傳感器，通過(guò)參考室內(nèi)戶外光差設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)光照不滿足使用時(shí)的參數(shù)作為對(duì)照量，當(dāng)環(huán)境光不滿足衛(wèi)生間自用時(shí)，進(jìn)行工作。

問(wèn)題2：門(mén)口的計(jì)數(shù)裝置是由2個(gè)光點(diǎn)傳感器組合實(shí)現(xiàn)的方向判斷，當(dāng)門(mén)口有同時(shí)進(jìn)出的2個(gè)人，可能會(huì)出現(xiàn)邏輯判斷錯(cuò)誤，將本來(lái)一個(gè)一進(jìn)一出判斷為兩出或者兩進(jìn)。

分析解決：?jiǎn)栴}待定，暫時(shí)只有增加其他傳感器進(jìn)行判別。

問(wèn)題3：熱釋電傳感器會(huì)在人不動(dòng)的時(shí)候檢測(cè)不到。

分析解決：熱釋電傳感器就和青蛙眼一樣，只能識(shí)別活動(dòng)的物體，當(dāng)人有很小的一段時(shí)間動(dòng)作低于熱釋電檢測(cè)的距離時(shí)，傳感器便會(huì)返回一個(gè)無(wú)人的參數(shù)，不是很準(zhǔn)確，已經(jīng)更換為超聲波傳感器。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)突出人性化的智能控制，具有可靠、穩(wěn)定、無(wú)操作的特點(diǎn)。以ATMEGA328單片機(jī)為核心的Arduino UNO R3開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光電紅外信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、煙霧傳感器信號(hào)、氨氣傳感器信號(hào)以及熱釋電紅外信號(hào)，智能控制衛(wèi)生間設(shè)備，合理有效解決各類大、中專院校的衛(wèi)生間光照、沖水和異味問(wèn)題，具有重要的使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王嘉.基于用戶行為的智能衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[2]王少軍.智能控制及其在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2018（06）：224.

[3]賈興丹，萬(wàn)秋華，于海.光電編碼器測(cè)速方法現(xiàn)狀與展望[J].儀表技術(shù)與傳感

（作者單位：山東協(xié)和學(xué)院）