一種盲人患者無障礙飲水機(jī)設(shè)計(jì)

魏國軍

（惠州城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東惠州 516025）

0 引言

飲水是人們?nèi)粘Ｉ钪幸豁?xiàng)必要的生理需求，現(xiàn)社會較多企業(yè)、家庭通過飲水機(jī)供應(yīng)飲用水。對于身心正常的健康人士，使用市政飲水機(jī)可完成接水、飲水。但盲人患者在使用日常市政飲水機(jī)時，則會出現(xiàn)找不準(zhǔn)甚至找不到接水口，不能有效控制接水量，甚至在接水時出現(xiàn)熱水溢出被燙傷的現(xiàn)象，久之使得盲人患者對使用飲水機(jī)產(chǎn)生恐懼，導(dǎo)致不敢獨(dú)立使用飲水機(jī)，增加患者家庭護(hù)理工作量。

目前市場上仍然有許多產(chǎn)品無法通過良好的人機(jī)界面來引導(dǎo)、幫助盲人患者適應(yīng)日新月異的產(chǎn)品更迭，迫使盲人患者犧牲自己的使用體驗(yàn)去迎合那些不符合他們使用習(xí)慣的產(chǎn)品,使他們無法享受現(xiàn)代社會帶來的便捷生活[1]。

隨著社會對盲人患者的關(guān)注不斷提升，各種有助于盲人患者的無障礙設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如有助于盲人出行、閱讀、休閑、導(dǎo)識等的設(shè)計(jì)應(yīng)用已普遍。但研究盲人飲水機(jī)的案例及發(fā)明較少，本文針對盲人患者的飲水問題而設(shè)計(jì)了一款盲人患者無障礙飲水機(jī)，通過設(shè)置紅外檢測感應(yīng)裝置[2]，實(shí)現(xiàn)熱、溫、冷水的語音提示、延時出水、精準(zhǔn)控制接水量等功能，能有效降低盲人患者使用飲水機(jī)接水、飲水產(chǎn)生的心理恐懼及飲水機(jī)的操作難度，減少盲人患者家庭護(hù)理人員，減輕家庭護(hù)理人員勞動量。同時讓盲人患者享受到高科技帶來的生活便利，鍛煉了對生活的適應(yīng)性，為今后勇敢面對生活樹立了信心及勇氣。

1 方案設(shè)計(jì)

盲人患者無障礙飲水機(jī)機(jī)身采用市面上通用的飲水機(jī)本體，設(shè)置有熱、溫、冷3個出水口，在出水口上方設(shè)置紅外檢測傳感器、語音提示系統(tǒng)，并設(shè)置與飲水機(jī)配套使用的金屬水杯、杯托。盲人患者無障礙飲水機(jī)在盲人患者接用飲用水時，通過紅外檢測傳感器檢測水杯放置位置，語音提示告知患者接用的是熱、溫、冷水，并通過延時電路延時5 s后，出水口出水。水杯及杯托壓簧受重力接觸，接通電路發(fā)出蜂鳴聲，提示“水杯承接水量已適中，取走水杯”。當(dāng)紅外檢測傳感器檢測下方水杯移開時，飲水機(jī)出水口停止出水，避免在接用熱水時溢出而導(dǎo)致盲人患者被燙傷的情況。此時盲人患者如因故未能取走水杯，壓簧、報(bào)警器、無線信號反饋器電路接通，由無線信號反饋器將信號反饋至主電路，控制切斷電路停止出水，直至60 s后恢復(fù)電路。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紅外檢測傳感裝置

目前市面上銷售的各種飲水機(jī)，身心健康者在使用時可以通過人為觀察，并通過打開控制閥門完成取水。而盲人患者在使用該飲水機(jī)時會出現(xiàn)如下幾種狀況：（1）不能精準(zhǔn)地找到控制閥門開關(guān)；（2）水杯位置放置不對；（3）不能精準(zhǔn)地控制出水量，導(dǎo)致水裝不滿或者溢出現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)燙傷的情況。

本文對通用飲水機(jī)機(jī)身進(jìn)行可靠性研究及分析，從保證盲人患者在使用飲水機(jī)時，能準(zhǔn)確地判斷出水口的位置以及流出的是熱、溫、冷水，并提示水杯中飲用水量適中等方面著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過在出水口上方設(shè)置紅外檢測傳感器，感應(yīng)下方有水杯，將信號反饋至處理器，同時延時電路延時控制5 s后，水杯對應(yīng)的出水口閥門開啟，飲用水流出。當(dāng)盲人患者確認(rèn)飲用水已裝滿并取走水杯時，紅外檢測裝置檢測到水杯移開的同時斷開電路關(guān)閉閥門，出水口立即停止出水，如圖1所示。

圖1 紅外檢測裝置檢測示意圖

2.2 語音系統(tǒng)

加拿大科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究顯示，先天性盲人或幼年失明者的腦部視覺區(qū)域能夠發(fā)生某些微妙地“重組”，并因此而具有超常的辨別聲音的能力[3]。

盲人患者無障礙飲水機(jī)上設(shè)置語音提示系統(tǒng)，如圖2 所示，通過紅外檢測感應(yīng)裝置檢測出水口水杯的位置并將信號反饋至處理器，觸發(fā)語音系統(tǒng)，根據(jù)水杯放置熱、溫、冷出水口下方提示“熱水”、“溫水”、“冷水”語音信息，滿足盲人患者對熱水、溫水、冷水的需求，從而實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，進(jìn)一步體現(xiàn)對盲人患者的人文關(guān)懷。

圖2 語音系統(tǒng)示意圖

2.3 水杯和杯托

水杯是一種具有水量監(jiān)測功能的新型水杯，包含水杯本體和杯托兩部分[4]，水杯及杯托底部各設(shè)計(jì)有一片受重力可接觸的壓簧。當(dāng)水杯中水量達(dá)到設(shè)定值時，水杯壓簧受重力與杯托壓簧呈接觸狀態(tài)，并與電源、蜂鳴器、無線信號反饋裝置串聯(lián)成接通的電路，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)生報(bào)警聲音，以提示盲人患者取走水杯。當(dāng)紅外檢測傳感裝置檢測到水杯被移走且下方無物體時，將信號反饋至處理器，切斷電路，停止供水。如盲人患者因故未取走水杯時，無線信號反饋裝置將信號反饋至主電路處理器[5]，切斷供水電路停止供水60 s 后恢復(fù)。該水杯的工作原理如圖3所示。

當(dāng)水杯里沒有水或水的重量沒有達(dá)到要求時，壓簧脫離接觸，未接通觸發(fā)電路，蜂鳴器不觸發(fā)提示“飲用水已滿”的報(bào)警音，如圖4所示。

圖3 水杯工作原理圖

圖4 杯托設(shè)計(jì)原理圖

圖5 杯子水滿示意圖

當(dāng)水杯里水的重量達(dá)到設(shè)定要求時，水杯底壓簧受重力下移與杯托壓簧接觸，接通電路并觸發(fā)蜂鳴聲音，提示“水杯水量已達(dá)到要求”。此時飲水者將水杯移開，出水口上方紅外感應(yīng)器工作，自動切斷供水。如盲人患者因故未能取走水杯，為防止溢出，無線反饋裝置將信號傳至主電路處理器，控制切斷電路停止供水，60 s后恢復(fù)電路，如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制板硬件

控制板主要由主芯片STM32F030K6T6[6]、 紅 外檢測電路、壓簧信號檢測電路、語音提示模塊、藍(lán)牙無線模塊組成，控制板硬件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

STM32F030K6T 是基于STMicroelectronics ARM Cortex-M0的STM32F0 系列微控制器，其包括入門級ARM Cortex?M0 32 位RISC 內(nèi)核。STM32F030 超值型提供高速嵌入式存儲器，具有各種增強(qiáng)型外設(shè)和I/O。有如I2C、SPI和USART等通信接口，以及12位ADC、16位計(jì)時器和1個高級控制PWM計(jì)時器。

紅外檢測電路為開關(guān)量輸入信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離電路，并在光耦輸出端設(shè)計(jì)成低電平有效，進(jìn)入主芯片輸入引腳，并設(shè)計(jì)成低電平有效，當(dāng)該信號為低電平時，提示水杯已放置到飲機(jī)上[7]。

壓簧信號為開關(guān)量輸入信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離電路，并在光耦輸出端設(shè)計(jì)成低電平有效，進(jìn)入主芯片輸入引腳，該信號為低電平時，提示“水杯水已滿”。

語音提示電路采用普通輸出口控制，并在語音模塊內(nèi)部設(shè)定好，IO口置低后播報(bào)相應(yīng)的語音，達(dá)到提醒的功能[8]。

藍(lán)牙模塊通過UART 接口與STM32F030 進(jìn)行通訊，將水杯水滿信號發(fā)送至飲水機(jī)，控制水閥的通斷。

圖6 控制板硬件設(shè)計(jì)框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括壓簧信號檢測模塊、語音提示控制模塊、藍(lán)牙通訊模塊、邏輯控制模塊組成。軟件流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行紅外信號檢測，當(dāng)該信號有效時，表示水杯已放置到飲水機(jī)，此時立刻通過藍(lán)牙模塊發(fā)送打開水閥命令，并開始等待杯子水滿。當(dāng)水杯水滿后，通過藍(lán)牙發(fā)送關(guān)閉水閥命令，停止加水，同時控制語音播報(bào)，提示相應(yīng)的語音提示。

圖7 程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的盲人患者無障礙飲水機(jī)利用簡單的檢測感應(yīng)電路，觸發(fā)語音系統(tǒng)提示接用的飲用水為何種類型，以滿足不同時刻對熱、溫、冷水的需求。同時通過水杯及杯托實(shí)現(xiàn)對水量的控制，消除了盲人患者使用飲水機(jī)接水時擔(dān)心出現(xiàn)因找不到出水口、無法確定冷、熱水、水量多少或者溢出的恐懼心理，降低了盲人患者獨(dú)自使用飲水機(jī)的難度，減輕了家庭護(hù)理人員的勞動量。