基于熱釋電紅外傳感器的自定位清潔馬桶控制系統(tǒng)設計

汪 洋，陳 躍，郭陳江山

（臺州學院 電子與信息工程學院，浙江 臺州 318000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能化已經(jīng)是現(xiàn)代家居的主流發(fā)展趨勢。短短幾年時間,很多便捷、人性化的智能家居不斷涌現(xiàn)，智能家居迎來了巨大的發(fā)展熱潮［1］。智能馬桶作為智能小家電中的潛力股，有著廣闊的發(fā)展前景。據(jù)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前新裝修的房子普遍會選擇一臺及以上智能馬桶，預計智能馬桶未來會成為日常的重要消費品［2］。

但據(jù)用戶反饋，在實際使用過程中，很多擁有臀洗和婦洗功能的智能馬桶存在誤沖的現(xiàn)象，甚至因操作不當而損壞設備。究其原因：多是受制于現(xiàn)存市面上的智能馬桶產(chǎn)品噴水伸縮桿長度無法精準調(diào)節(jié)，很難對不同的使用者進行精確定位和清洗；市面上大多智能馬桶采用壓力傳感器，這易導致馬桶在使用者調(diào)整坐姿時產(chǎn)生誤判和誤清洗等操作。上述情況使得市場急需一款能自動精準定位和清潔的智能馬桶。

1 肛門定位原理和方法

肛門定位的設計主要基于熱輻射原理。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。根據(jù)這一基本思想，通過傳感器測得一塊區(qū)域的多個像素點輻射出的不同能量的大小，確定各個像素點對應的溫度。

1.1 紅外熱輻射定位原理

由普朗克輻射定律（示意圖如圖1所示）可知，溫度高于絕對零度的物體所輻射出的能量與溫度成正比，即

圖1 普朗克輻射定律示意圖

其中，I為輻射率，λ為波長，T為黑體的溫度，h為普朗克常數(shù)，c為光速，e為自然對數(shù)的底，k為玻爾茲曼常數(shù)。

結(jié)合斯特藩-玻爾茲曼定律，易發(fā)現(xiàn)其兩者都包含的思想為：一個黑體表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量（稱為物體的輻射度或能量通量密度）j*與黑體本身的熱力學溫度T（又稱絕對溫度）的4次方成正比，即

1.2 利用AMG8833的定位方法

AMG8833是一款8×8像素的紅外輻射量熱釋電紅外陣列傳感器，其實際檢測面可看作臀部在二維平面上的投影，用MATLAB建模的示意圖如圖2所示。由于將復雜的三維結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)橛脺囟润w現(xiàn)的二維數(shù)組，故在其縱橫視野范圍內(nèi)的有效探測角度約為90°，有效探測面積可高達400 cm2，很好地滿足了正常使用需求。

圖2 檢測面投影圖

由于不同使用者的臀部結(jié)構有細微差別，無法利用簡單的逐級掃描與COS余弦校準算法來精確定位肛門位置，故本設計還提出了針對不同使用者的全局建模思想：啟動系統(tǒng)后，滑臺將向前伸出至最長，同時快速掃描整個臀部，獲得該使用者的臀部溫度模型參數(shù)，得到最高溫點坐標，計算出滑臺回收距離，再緩慢收回至合適位置，實現(xiàn)針對該使用者的精確定位。

2 系統(tǒng)分析與設計

本系統(tǒng)采用單片機STM32F103RCT6作為主控芯片，使用C語言編程［3］，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）驅(qū)動絲桿滑臺向下移動。在移動過程中，紅外傳感器會監(jiān)測實時的矩陣溫度，同時傳送給單片機進行數(shù)據(jù)處理，分析當前矩陣的最高溫度點。若最高溫度點靠前，單片機將控制滑臺繼續(xù)伸出；若最高溫度點靠后，則單片機控制滑臺向后收回。當判斷到實時矩陣溫度的最高溫度點和噴水裝置處于一致方向時，說明已經(jīng)定位到實時的肛門位置，此時內(nèi)嵌在系統(tǒng)中的蜂鳴器會發(fā)出1 s的蜂鳴聲以提醒使用者定位成功。與此同時絲桿電機停轉(zhuǎn)，滑臺停止，繼電器接通，以控制水泵運作，使噴水裝置噴出水流，并持續(xù)10 s完成精準清潔，其工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

2.1 熱釋電紅外陣列傳感器

采用的AMG8833是一種檢測紅外輻射量的熱釋電紅外陣列傳感器［4］，如圖4所示。該傳感器能在距離小于等于7 m的范圍內(nèi)探測到一個人，其分辨率到達64個像素點，最大幀頻為10 Hz，溫度測量范圍為0°C至80°C。該傳感器與單片機通過I2C傳輸數(shù)據(jù)，在進行連續(xù)溫度掃描時僅返回矩陣形態(tài)的溫度數(shù)據(jù)組，無法進行圖像掃描，在實現(xiàn)目標檢測的同時又保護了使用者隱私，非常適合創(chuàng)建人體探測器或微型熱相儀。圖5所示為測量數(shù)據(jù)的返回矩陣表，搭配STM32F103RCT6微控制器，利用串口持續(xù)返回陣列的溫度數(shù)值，通過128個寄存器（8位寄存器，由高地址寄存器和低地址寄存器共同構成一個單位像素點溫度的存儲寄存器）一次性讀取64個像素點的溫度，存儲在我們自定義的數(shù)組中，再對比該數(shù)組中最高溫度所在點與當前位置，以此來判斷是否能找到目標位置。

圖4 AMG8833模塊圖

圖5 紅外傳感器返回數(shù)值矩陣

在接線配置端方面，該設計只連接VIN、GND、SCL、SDA和拉低AD0地址選擇引腳，將7位地址配置為0x68。通過這樣的接線，可以實現(xiàn)傳感器與單片機的信息交換，且沒有阻斷傳感器的持續(xù)工作。

2.2 步進電機絲桿滑臺

絲桿滑臺的設計原理是采用兩相四線制、帶有1∶5減速箱的步進電機來帶動絲桿，其驅(qū)動電壓范圍寬達5～12 V，驅(qū)動電流可耐受0.5～2 A。電機步距角低至15°，但其直徑僅為27 mm，在做到結(jié)構小巧的同時又可保證其工作效率與人體安全性。當系統(tǒng)上電后，每輸入一個脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子便前進一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的步距角是在電機結(jié)構的基礎上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個固定的角度。由于機械裝配等定會產(chǎn)生誤差，但是步進電機每旋轉(zhuǎn)一周即可清零誤差，這就使得該閉環(huán)系統(tǒng)不會累積誤差，真正做到實時高精度，其結(jié)構如圖6所示。

圖6 步進電機結(jié)構示意圖

絲桿滑臺采用了一根螺桿和滑臺相嚙合的形式，在保證螺桿滑塊相對轉(zhuǎn)動的情況下，使螺桿軸向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)帶動螺桿上的滑塊縱向運動。電機帶有差速箱，具有較大的減速比，在方便控制的同時也增大了扭矩。這樣做大大簡化了設計，能夠在不安裝外部機械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進電機進行精密的線性運動［5］。

2.3 部件安裝

如圖7所示，將AMG8833紅外陣列傳感器、噴頭組裝在絲桿滑臺的滑塊上，并將搭載上述設備的絲桿滑臺以向下傾斜45°的角度安裝在模擬馬桶壁上。

圖7 滑臺及噴頭安裝示意圖

由于正常情況下人體臀部肛門溫度最高，通過傳感器獲取溫度矩陣后，利用算法可找到矩陣中溫度的最高值，從而實時定位肛門位置，以達到對不同坐姿使用者的精準清潔的目的。

3 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析

為探究傳感器定位精度及系統(tǒng)動態(tài)響應效果，在實驗中筆者制作了一個37°C的三極管恒溫發(fā)熱電路（以下簡稱“熱源”）以模擬人體肛門位置，同時設計了如下兩種測試方案。

3.1 靜態(tài)定位精度測試

本實驗設置7個測試點，隨機位于首次測試點的上、下任意位置。首先將熱源任意放置一點并記為零點，啟動系統(tǒng)，觀察到工作正常且狀態(tài)良好。待首次工作完成后初始化系統(tǒng)，使其進入待機狀態(tài)，再將熱源隨機上下移動到另一待測點，記錄下待測點間距離。當系統(tǒng)工作完畢后記錄下實際噴射距離，重復上述步驟，待完成一輪測試后，再次重復上述測試環(huán)節(jié)5次，剔除原始數(shù)據(jù)中的極端結(jié)果，對剩余結(jié)果求得平均值，得到如表1所示結(jié)果。

表1 靜態(tài)定位精度測試數(shù)據(jù)

3.2 動態(tài)響應聯(lián)動測試

本實驗設置7次測試。首先將熱源任意放置一點并記為零點，啟動系統(tǒng)，觀察到工作正常且狀態(tài)良好。待首次工作完成后初始化系統(tǒng)，使其進入待機狀態(tài)，此時喚醒設備，在設備開始追蹤熱源位置時不斷移動熱源，并在一隨機位置停下，記錄下待測點間的距離。此時可觀察到噴頭在實時追蹤熱源的位置，當熱源停下后，噴頭即完成定位鎖定，開始清洗流程。系統(tǒng)工作完畢以后記錄下實際噴射距離，重復上述步驟，待完成一輪測試后，再次重復上述測試環(huán)節(jié)5次，剔除原始數(shù)據(jù)中的極端結(jié)果，對剩余結(jié)果求得平均值，得到如表2所示結(jié)果。

表2 動態(tài)響應聯(lián)動測試數(shù)據(jù)

3.3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

由于實驗所用馬桶及其控制裝置為亞克力板手工搭建，部分構件機械結(jié)構復雜、安裝方式為膠裝，存在一定的安裝偏差；且實驗測試步驟設計難度偏高，故實驗數(shù)據(jù)顯示實際清洗噴射點與設置點之間稍有偏差，但其最大誤差只有8.3%?？紤]到本次實驗用來模擬肛門的熱源為一個溫度點，實際肛門是一整塊高溫區(qū)域，因此認定該設備效果良好，在實際中可達到智能跟蹤定位清潔的功能。

4 結(jié)語

智能馬桶作為智能小家電中的潛力股，有著廣闊的發(fā)展前景，但目前市面上的智能馬桶普遍存在沖洗定位不準確以及誤沖等問題，困擾著不少消費者。本設計方案以較為低廉的價格解決了上述兩大問題，符合市場需求，有較好的經(jīng)濟、社會效益。本設計可根據(jù)人體的構造實現(xiàn)精準定位的臀洗和婦洗功能，待后期部分技術成熟后還將引入軸向旋轉(zhuǎn)噴淋系統(tǒng)，以進一步提升智能馬桶的“沖洗性能”“節(jié)能性能”“舒適性能”，為居家衛(wèi)浴提供更智能化、人性化的解決方案。