智能座便器硬件設(shè)計與研究

楊 磊 汪功明 陳 穎

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化制造企業(yè)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，人們的生活水平不斷地提高。 智能家居時代在當(dāng)下智能化產(chǎn)品不斷進(jìn)入到千家萬戶。同時家家戶戶也都已經(jīng)安裝了家用座便器，已經(jīng)是每個家庭配置不可分割的一部分。智能坐便器將為每個家庭提供日常的衛(wèi)生如廁功能，同時也影響家庭成員的健康生活。 如何能夠通過智能化的坐便器來給家庭各個成員帶來不同的便利化，將是未來智能坐便器的發(fā)展方向。家庭中不同成員的需求是不一致的，如家庭中的老人在進(jìn)行如廁的時候需要哪些幫扶,幼小的兒童在進(jìn)行如廁的時候需要哪些幫扶，這些新型的需求都將是智能坐便器值得研究的方向。

1 智能座便器設(shè)計

1.1 現(xiàn)有智能座便器設(shè)計分析

目前， 國內(nèi)市場的智能坐便器普遍存在操控單一、智能化水平較低等問題。 當(dāng)前市場上的智能座便器不具備語音識別和升降調(diào)節(jié)功能，影響用戶的使用體驗及特殊人群的個性化需求， 和發(fā)達(dá)國家相比，市場占有率較低。

文獻(xiàn)[1]中，研究利用一種微波感應(yīng)模塊，首先由微波感應(yīng)模塊檢測到有人靠近或離開，發(fā)送信息給單片機(jī)控制系統(tǒng)；電動開閉組件反饋便蓋的位置信息給的單片機(jī)控制系統(tǒng)；然后單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)這兩條信息， 通過精確的算法處理，對便蓋的打開或關(guān)閉以及轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。 實現(xiàn)智能馬桶便蓋自動開閉控制[1]。

1.2 整體硬件設(shè)計

本設(shè)計以校企創(chuàng)新合作企業(yè)恒特機(jī)電科技有限公司成功研發(fā)并進(jìn)入市場的智能座便器部分功能模塊為基礎(chǔ)，旨在研發(fā)一種語音交互升降可調(diào)的智能座便器。 創(chuàng)新采取升降可調(diào)，其高度可根據(jù)不同人群進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，既可以解決部分行動能力喪失人群的如廁困境， 亦可以滿足普通群體如廁的舒適度需求；在面板指令的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新增加了語音指令功能，采取人機(jī)語音交互， 可識別具體的語音指令執(zhí)行相關(guān)操作，進(jìn)一步提升座便器的智能性，適應(yīng)不同人群的智能操控性要求，增強(qiáng)體驗感與舒適性，改善人居環(huán)境，滿足人民對美好生活的追求，提升幸福感。

如圖1 所示，整體框架設(shè)計圖，該智能坐便器主要采用了STM32 芯片處理器作為核心控制器， 當(dāng)核心處理器接收到了清洗按鍵選項，并結(jié)合開關(guān)型霍爾傳感器進(jìn)行開關(guān)位置確定，通過溫度傳感器對坐便器的水溫，坐便等溫度進(jìn)行采集，并輸送給處理器；LED指示燈用于幫助使用者進(jìn)行判斷當(dāng)前坐便器的工作狀態(tài)。 通過語音輸入相關(guān)的簡單指令， 例如開啟，關(guān)閉，那么通過語音解碼器將語音轉(zhuǎn)換成處理器可以識別的電信號送給處理器進(jìn)行程序的判斷。當(dāng)處理器得到控制命令將進(jìn)行判斷并去控制坐便器的位置。例如控制升降電機(jī)來驅(qū)動升降機(jī)械裝置使電機(jī)能夠執(zhí)行上升，下降，復(fù)位，停止等動作。

圖1 整體框架設(shè)計圖

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動得到智能蓋板打開，將啟動智能開關(guān)蓋電機(jī)模塊的功能，打開蓋板。當(dāng)需要進(jìn)行沖水時，無水箱沖水模塊，可進(jìn)行無水化沖測模式。 智能坐便器分水閥可以對水流等情況進(jìn)行控制。

1.3 語音識別模塊

為了能夠讓智能座便器更加準(zhǔn)確無誤地識別命令，首先要對一些關(guān)鍵詞進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到識別精度準(zhǔn)確無誤的目標(biāo)。 通過編寫關(guān)鍵詞，經(jīng)過前期語音的訓(xùn)練和測試，達(dá)到使用級別，也為使用人員提供了語音命令關(guān)鍵詞，需說出關(guān)鍵詞才能夠執(zhí)行對應(yīng)的指令功能。

語音命令的控制主要是采用語音輸入模塊，語音解碼模塊，控制器命令，判斷執(zhí)行控制命令。語音命令的執(zhí)行具體流程， 開始時控制器進(jìn)行開機(jī)的初始化，靜默待機(jī)狀態(tài)， 當(dāng)時間判斷大于一定時長不工作，則判斷為休眠狀態(tài)進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果要被工作狀態(tài)喚醒，需要進(jìn)行休眠到工作狀態(tài)的喚醒切換。 進(jìn)入到工作狀態(tài)之后，語音命令將一直被循環(huán)，進(jìn)行識別關(guān)鍵字，程序中的語音命令關(guān)鍵字.當(dāng)識別到這些關(guān)鍵字中的匹配內(nèi)容，將對這些命令進(jìn)行執(zhí)行，執(zhí)行由控制器發(fā)出命令作用在相應(yīng)的電機(jī)或驅(qū)動。 執(zhí)行完之后就結(jié)束。

1.4 控制器模塊

基于ARM Cortex M4 內(nèi)核的STM32F407 系列，增加了FPU 單元和DSP 指令集，并將主頻提高到了168MHz(可獲得210DMIPS 的處理能力)，非常適合需要浮點運(yùn)算或DSP 處理的應(yīng)用， 具有非常廣泛的應(yīng)用前景。STM32F429 相對于STM32F1，主要優(yōu)勢如下:更先進(jìn)的內(nèi)核[4]。STM32F429 采用CortexM4 內(nèi)核，帶FPU 和DSP 指令集，而STM32F1 采用的是Cortex M3 內(nèi)核，不帶FPU 和DSP 指令集。 更多的資源。 STM32F429 擁有多達(dá)256 KB 的片內(nèi)SRAM，支持SDRAM、帶TFTLCD 控制器、帶圖形加速器（Chorme ART、帶攝像頭接口）DCMv、加密處理器（CRYP），USB 高速OTG、 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、OTP 存儲器等[5]。

1.5 電機(jī)控制模塊控制器模塊

PWM 電機(jī)控制模塊電路原理圖， 本模塊主要是通過控制器輸出控制信號，控制信號主要是PWM 波，由此波形對電機(jī)進(jìn)行控制。 控制波形的輸出，能夠?qū)﹄姍C(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。該智能坐便器主要采用的電機(jī)是35BYJ46 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

該型號35BYJ46 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，在性能上具有一定的優(yōu)勢。表中分別從電壓，電阻，頻率，牽入轉(zhuǎn)距，自定位轉(zhuǎn)距，空載牽入頻率等參數(shù)對該驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行分析，同時在不同電阻阻值情況下分析了幾個參數(shù)的不同測量數(shù)據(jù)。

1.6 智能座便器工作原理

具體分析該智能座便器的工作原理，當(dāng)智能坐便器感應(yīng)到人靠近，那么將進(jìn)行人體感應(yīng)激活，對清洗部位選項進(jìn)行判斷， 并按照此模式進(jìn)行自清潔和清洗。 開始執(zhí)行清洗功能過程中可以設(shè)置如下參數(shù)，例如清洗的水溫，座便的溫度，吹風(fēng)的溫度，可調(diào)節(jié)水的壓力，調(diào)節(jié)噴管位置，同時可以開啟或者關(guān)閉節(jié)能裝置或者除臭裝置。 按照不同的功能進(jìn)行選擇，并開啟對應(yīng)的開關(guān)，執(zhí)行完畢結(jié)束清洗并進(jìn)行自清潔。

2 結(jié)語

為解決目前智能座便器主控制模塊設(shè)計不合理，更新?lián)Q代較慢，智能化功能有限，不能滿足現(xiàn)有需求的問題。 本文以最新的主控制芯STM32F429 為基礎(chǔ)，開發(fā)功能強(qiáng)大的智能座便器主控制電路，并在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，增加智能語音以及升降控制模塊等智能化功能，為老人、病人等需要幫扶人群提供智能化輔助。同時本設(shè)計功能還不是足夠的完全，很多控制還有待提升，程序有待進(jìn)一步優(yōu)化，硬件電路設(shè)計，硬件整體還需測試和反復(fù)實驗。