關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)智能坐便器的控制初探*

黃麗敏 黃甲欣 趙光華 龔正平 肖國(guó)龍 黃洽明 蔡沛旭

(廣東櫻井科技有限公司 廣東 潮州 521000)

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,Io T)是一種通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將物體(如設(shè)備、系統(tǒng)、服務(wù))連接起來(lái)的技術(shù)和概念,是通過(guò)傳感器、軟件、網(wǎng)絡(luò)連接等信息傳遞和通訊技術(shù),將各種物品或設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上,實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。其核心思想是在物體之間建立智能鏈接,使得這些物體能夠自動(dòng)交換數(shù)據(jù),并通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)以提供更加智能的服務(wù)和增強(qiáng)的用戶體驗(yàn)。

1.1 基本原理

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施涉及到硬件(傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)關(guān))、軟件(數(shù)據(jù)處理、設(shè)備管理、用戶界面)、網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)安全等多個(gè)方面。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮到可擴(kuò)展性、可靠性、維護(hù)成本和用戶體驗(yàn)。其基本原理可以概括為以下幾個(gè)方面:

(1)感知和數(shù)據(jù)采集。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)首先需要從物理環(huán)境中感知信息。這通常由各種傳感器完成,如溫度、濕度、光照、運(yùn)動(dòng)、音頻、視頻等傳感器。這些傳感器能夠捕捉到周圍環(huán)境的變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

(2)數(shù)據(jù)傳輸。感知到的數(shù)據(jù)需要通過(guò)某種方式傳送到數(shù)據(jù)處理中心或其他設(shè)備。這可以通過(guò)有線連接如以太網(wǎng),或無(wú)線技術(shù)如Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、LoRaWAN、NB-Io T、5G 等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)處理和分析。收集的數(shù)據(jù)通常需要經(jīng)過(guò)處理和分析,以提取有用信息或做出決策。這些處理和分析可以在本地設(shè)備上完成,也可以在云平臺(tái)或邊緣計(jì)算設(shè)備上進(jìn)行。數(shù)據(jù)分析可以包括模式識(shí)別、趨勢(shì)分析、異常檢測(cè)等。

(4)響應(yīng)和控制?；跀?shù)據(jù)分析的結(jié)果,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以執(zhí)行特定的響應(yīng)或控制任務(wù)。這可能包括調(diào)整溫度、啟動(dòng)或停止設(shè)備、發(fā)送通知或警報(bào)等。執(zhí)行這些任務(wù)通常需要通過(guò)執(zhí)行器或控制系統(tǒng)來(lái)完成。

(5)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和集成。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不是孤立工作的,它們需要與其他設(shè)備或系統(tǒng)集成,形成一個(gè)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。這需要兼容的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),以確保不同設(shè)備之間的有效通信。

(6)用戶接口。用戶需要與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行交互,設(shè)置參數(shù)、接收通知或查看數(shù)據(jù)。這通常通過(guò)用戶界面實(shí)現(xiàn),如移動(dòng)應(yīng)用、網(wǎng)頁(yè)儀表板等。

(7)安全性和隱私。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常處理大量個(gè)人或敏感數(shù)據(jù),因此必須確保數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的安全性,防止未授權(quán)訪問(wèn)或數(shù)據(jù)泄露。加密技術(shù)、安全協(xié)議和隱私保護(hù)措施在這里起著關(guān)鍵作用。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景正在迅速擴(kuò)展,涵蓋了智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市、醫(yī)療保健等眾多領(lǐng)域。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在衛(wèi)生設(shè)備中的創(chuàng)新應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在衛(wèi)生設(shè)備中的應(yīng)用正在逐漸成熟,它通過(guò)在設(shè)備中嵌入傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接,使設(shè)備能夠收集數(shù)據(jù)、自動(dòng)化操作,并遠(yuǎn)程控制。因此衛(wèi)生設(shè)備是物聯(lián)技術(shù)的載體,是由物聯(lián)技術(shù)的一種具體體現(xiàn),而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是衛(wèi)生設(shè)備智慧化的靈魂和核心。筆者列舉以下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在衛(wèi)生設(shè)備中一些創(chuàng)新應(yīng)用的例子:①智能坐便器。智能坐便器可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種功能,包括自動(dòng)沖洗、座圈加熱、夜間照明、自動(dòng)清潔和消毒、健康監(jiān)測(cè)(例如分析尿液),甚至遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。②智能水龍頭。通過(guò)安裝傳感器,智能水龍頭可以檢測(cè)手的位置自動(dòng)開關(guān),節(jié)約用水,并通過(guò)數(shù)據(jù)分析用戶的用水習(xí)慣,有助于水資源管理。③智能淋浴系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的偏好調(diào)節(jié)水溫和流量,追蹤水的使用量,甚至可以與音樂(lè)設(shè)備或智能燈光系統(tǒng)同步,創(chuàng)造個(gè)性化的沐浴體驗(yàn)。④智能浴缸。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使浴缸能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫、水位,并添加泡泡浴液等,同時(shí)監(jiān)控水質(zhì)并保持清潔。⑤智能鏡子。集成顯示屏幕和連接功能的智能鏡子可以顯示天氣、新聞、交通信息,甚至用戶的健康數(shù)據(jù)和美容建議。⑥健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。衛(wèi)生設(shè)備中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)用戶的健康狀況,如體重、血壓、血糖等,并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶或醫(yī)療專業(yè)人員的智能設(shè)備上。⑦智能排風(fēng)扇。智能排風(fēng)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)濕度和空氣質(zhì)量,自動(dòng)開啟或調(diào)節(jié)風(fēng)速,以保持室內(nèi)空氣的清新和干燥。⑧智能垃圾桶?？梢员O(jiān)測(cè)垃圾量并自動(dòng)密封和更換垃圾袋,還能聯(lián)網(wǎng)通知垃圾處理服務(wù)進(jìn)行垃圾收集。⑨遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。用戶可以通過(guò)智能手機(jī)、平板或電腦遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制家中的衛(wèi)生設(shè)備,即使在外出時(shí)也能管理和調(diào)整設(shè)備設(shè)置。⑩節(jié)能管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使衛(wèi)生設(shè)備能夠更有效地使用能源,例如,通過(guò)監(jiān)測(cè)使用模式來(lái)優(yōu)化加熱水的時(shí)間或自動(dòng)關(guān)閉未使用的設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的這些應(yīng)用不僅增加了衛(wèi)生設(shè)備的便利性和效率,還提高了用戶的舒適度和滿意度,同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)收集和分析,促進(jìn)了健康和環(huán)境可持續(xù)性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低,我們可以預(yù)見未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)在衛(wèi)生設(shè)備中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入。

2 智能坐便器的設(shè)計(jì)要求與功能

智能坐便器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在衛(wèi)浴設(shè)備中的應(yīng)用之一,其設(shè)計(jì)理念和原則旨在提升其使用的智慧化程度。智能坐便器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到用戶的舒適體驗(yàn),包括座溫調(diào)節(jié)、按摩、自動(dòng)翻蓋等功能;能夠根據(jù)不同用戶的偏好和習(xí)慣,提供個(gè)性化的設(shè)置和記憶功能;通過(guò)自動(dòng)噴嘴清潔、UV 殺菌、除臭等功能,保持坐便器和使用環(huán)境的衛(wèi)生;采用先進(jìn)的節(jié)水技術(shù),如動(dòng)態(tài)水流控制和低流量沖洗設(shè)計(jì),以減少水資源消耗;能夠與智能家居系統(tǒng)或應(yīng)用程序連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、使用數(shù)據(jù)分析和維護(hù)提醒;智能坐便器應(yīng)適應(yīng)不同環(huán)境條件,比如濕度控制和防滑設(shè)計(jì);技術(shù)含量高的產(chǎn)品也應(yīng)保持用戶界面簡(jiǎn)單直觀,以便所有年齡段的用戶都能輕松操作。

2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

智能坐便器的用戶界面(UI)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,因?yàn)樗苯佑绊懙接脩舻牟僮黧w驗(yàn)和產(chǎn)品的易用性。良好的用戶界面設(shè)計(jì)能夠確保用戶輕松地訪問(wèn)和使用所有高級(jí)功能,而不會(huì)感到困惑或沮喪,即功能增加,但操作更便利。①直觀的圖標(biāo)和按鈕:使用容易理解的圖標(biāo)和符號(hào)來(lái)表示不同的功能,如水溫、座溫、沖洗等。②簡(jiǎn)化的操作流程:確保用戶能夠通過(guò)盡可能少的步驟實(shí)現(xiàn)功能,比如一鍵沖洗或自動(dòng)清潔。③在設(shè)計(jì)智能坐便器的用戶界面時(shí),應(yīng)當(dāng)進(jìn)行充分的用戶測(cè)試,確保不同年齡和背景的用戶都能夠無(wú)障礙地使用產(chǎn)品。此外,隨著技術(shù)的發(fā)展,智能坐便器的UI設(shè)計(jì)也應(yīng)適時(shí)更新,以吸納最新的交互設(shè)計(jì)趨勢(shì)和用戶反饋。

2.2 功能需求分析

智能坐便器作為智能家居系統(tǒng)的一部分,其功能需求分析應(yīng)圍繞用戶的實(shí)際需求、便利性、舒適性、衛(wèi)生、節(jié)能環(huán)保、智能化等方面進(jìn)行。

(1)用戶需求調(diào)研。考慮不同年齡、性別、身體狀況的用戶;了解用戶對(duì)衛(wèi)生間使用的偏好和習(xí)慣。

(2)基本功能需求。例如:根據(jù)使用情況自動(dòng)或一鍵沖洗;根據(jù)環(huán)境溫度或設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)座圈溫度;感應(yīng)用戶接近和離開,自動(dòng)開合坐便器蓋;女性清洗和臀部清洗,水溫、水壓和噴頭位置可調(diào);通過(guò)溫風(fēng)烘干,用戶可調(diào)節(jié)風(fēng)溫等。

(3)衛(wèi)生與清潔需求。噴頭自清潔和UV 殺菌燈,保持坐便器清潔衛(wèi)生;自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)除臭系統(tǒng),保持空氣清新;使用抗菌材料制造,減少細(xì)菌滋生。

(4)節(jié)能環(huán)保需求。智能調(diào)節(jié)水量,減少不必要的水資源浪費(fèi);優(yōu)化能源使用,如使用LED 照明和節(jié)能加熱技術(shù)。

(5)智能化需求。通過(guò)手機(jī)應(yīng)用或其他智能設(shè)備遠(yuǎn)程操作;集成傳感器分析排泄物,提供健康建議(可選高端功能);集成語(yǔ)音助手,實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸操作。

(6)可拓展性與升級(jí)需求。模塊化設(shè)計(jì),方便未來(lái)升級(jí)或添加新功能;軟件更新,支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)更新固件和軟件。

在進(jìn)行功能需求分析的過(guò)程中,需要不斷回顧和驗(yàn)證這些需求與用戶的實(shí)際使用情況是否相符,以及是否符合市場(chǎng)趨勢(shì)和技術(shù)發(fā)展。此外,考慮到成本和市場(chǎng)接受度,可能需要在高端型號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)之間做出功能取舍。通過(guò)調(diào)研得到的數(shù)據(jù)應(yīng)被用來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)和迭代過(guò)程。

2.3 控制器設(shè)計(jì)

智能坐便器的控制器設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜過(guò)程,包括軟件開發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及用戶體驗(yàn)。①軟件設(shè)計(jì):固件編程,編寫嵌入式軟件來(lái)控制硬件組件的操作;功能邏輯,設(shè)計(jì)智能化功能,如自動(dòng)清潔、節(jié)能模式、用戶識(shí)別等;用戶界面,設(shè)計(jì)物理按鈕或觸摸屏界面,提供易于使用的用戶交互;APP開發(fā),如果需要遠(yuǎn)程控制,設(shè)計(jì)配套的手機(jī)應(yīng)用程序;數(shù)據(jù)處理,如有必要,處理和存儲(chǔ)使用數(shù)據(jù),用于用戶習(xí)慣學(xué)習(xí)或故障預(yù)警。②機(jī)械設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)坐便器的結(jié)構(gòu),確保電子部件的安裝和水電線路的安全;確保所有的動(dòng)作部件可以平穩(wěn)、安靜地工作;考慮到清潔和維護(hù)的便利性。③用戶體驗(yàn):關(guān)注用戶在使用過(guò)程中的感受,不斷優(yōu)化用戶界面和控制邏輯;提供簡(jiǎn)單明了的使用說(shuō)明和便捷的客戶服務(wù)。

2.4 針對(duì)衛(wèi)生設(shè)備控制的特有設(shè)計(jì)方法

智能坐便器的控制算法是其核心智能部分,用于確保坐便器的所有智能功能正常、高效且安全地運(yùn)行。這些算法通常嵌入在智能坐便器的微控制器固件中,并通過(guò)傳感器輸入和用戶界面交互來(lái)操作執(zhí)行器。

(1)傳感器數(shù)據(jù)處理。智能坐便器可能會(huì)使用多種傳感器,如紅外傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等,控制算法需要對(duì)這些傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和解釋,以便了解用戶的需求和環(huán)境狀態(tài)。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,以消除噪聲和偶發(fā)的異常值。如果使用多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)同一種物理量,算法可能需要融合這些數(shù)據(jù),以提高準(zhǔn)確性和可靠性。將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息,比如用戶是否坐在坐便器上,是否離開等。

(2)用戶界面交互?？刂扑惴ㄐ枰獙?duì)來(lái)自用戶界面(如按鈕、觸摸屏或遠(yuǎn)程控制應(yīng)用)的輸入做出響應(yīng)?，F(xiàn)代智能坐便器通常配備觸摸屏,用戶可以通過(guò)它直接選擇不同的功能。清晰的圖標(biāo)和文字可以幫助用戶理解各個(gè)功能。屏幕應(yīng)顯示當(dāng)前的狀態(tài)信息,如水溫、座圈溫度、清潔模式等。

智能坐便器的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)是確保其智能功能正常運(yùn)作的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)智能坐便器的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí),要綜合考慮技術(shù)可行性、用戶體驗(yàn)、安全性及法律法規(guī)要求。隨著技術(shù)的發(fā)展,智能坐便器未來(lái)可能會(huì)集成更多高級(jí)功能,對(duì)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)的要求也會(huì)隨之提高。

3 未來(lái)發(fā)展方向

智能坐便器作為智能家居生態(tài)系統(tǒng)的一部分,其未來(lái)的發(fā)展方向預(yù)計(jì)會(huì)集中在增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)和技術(shù)集成等幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

(1)通過(guò)人工智能技術(shù),智能坐便器能夠?qū)W習(xí)用戶的偏好,自動(dòng)調(diào)整座圈溫度、水流強(qiáng)度和位置等。

(2)智能坐便器將可能具備更先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)功能,如分析尿液和糞便的成分,監(jiān)測(cè)用戶的健康狀況,并能預(yù)警潛在的健康問(wèn)題。

(3)智能坐便器將進(jìn)一步采用節(jié)能技術(shù),比如使用雨水沖洗、太陽(yáng)能供電,以及改善水循環(huán)系統(tǒng)等。

(4)通過(guò)使用先進(jìn)的自清潔技術(shù),智能坐便器將能夠無(wú)需人工介入即可保持清潔,例如使用UV 消毒燈和自動(dòng)施加清潔劑。

(5)智能坐便器將更加無(wú)縫地與其他智能家居設(shè)備連接,形成統(tǒng)一的智慧生活網(wǎng)絡(luò)。

(6)研發(fā)新材料和設(shè)計(jì),以提高產(chǎn)品的可持續(xù)性,減少對(duì)環(huán)境的影響。

(7)改善用戶界面,包括聲控、觸控屏和智能手機(jī)應(yīng)用,提供更加直觀和個(gè)性化的用戶體驗(yàn)。

(8)智能坐便器可能會(huì)融合更多的功能,如座椅按摩、腿部放松或者空氣質(zhì)量檢測(cè)等,成為人們健康生活的中心。

智能坐便器通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)用戶排泄物中的生物標(biāo)志物,可為個(gè)人健康管理和早期疾病預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持;對(duì)于行動(dòng)不便或有特殊護(hù)理需求的老年人,智能坐便器可以通過(guò)自動(dòng)化功能提供更好的照料等。