智能坐便器清洗自適應(yīng)系統(tǒng)的研究*

吳意囡 葉益陽 翁曉偉

(臺州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院 浙江 臺州 318000)

前言

智能坐便器是國內(nèi)近幾年來興起的健康家電，目前處于高速發(fā)展階段，隨著居民生活水平的不斷提高，越來越多的家庭開始注重健康的生活方式和較高的生活品質(zhì)[1]，智能坐便器的功能需求也愈發(fā)朝著舒適與便捷方向發(fā)展。

臀部清洗是智能坐便器使用最多的功能之一，不斷完善這一關(guān)鍵技術(shù)，是十分必要的。目前的智能坐便器只能滿足簡單的臀部清洗功能，主要存在以下局限性：清洗位置比較固定，需要人體自身的動作去尋找；伸縮桿只能在直線方向前后移動，清洗的覆蓋面很有限；清洗水的各種性能缺乏記憶性，每次使用產(chǎn)品都需重新設(shè)定程序。

智能坐便器清洗自適應(yīng)系統(tǒng)旨在提升使用智能坐便器產(chǎn)品的舒適度，提高智能化水平，使用者只需按下臀部清洗按鈕，智能坐便器就可以自動識別臀部，準確定位肛門位置，記憶并調(diào)用清洗水性能，實現(xiàn)了臀部清洗功能的全自動化。

圖1 智能坐便器清洗自適應(yīng)系統(tǒng)整體框架圖

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能坐便器清洗自適應(yīng)系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

系統(tǒng)以微控制器為處理核心，主要由指紋識別模塊、圖像處理模塊、伸縮旋轉(zhuǎn)模塊三部分組成。圖像處理模塊與指紋識別模塊分別提供了肛門的位置信息與用戶使用的特性參數(shù)，保證了自適應(yīng)的伸縮桿出桿與噴頭出水滿足使用要求，自動化的流程給予使用者更舒適的如廁體驗。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 清洗自適應(yīng)系統(tǒng)示意圖

整個系統(tǒng)以按下臀洗按鍵為起始，以臀洗停止信號為結(jié)束，形成一個閉環(huán)的周期，系統(tǒng)的功能流程圖如圖3所示。

圖3 清洗自適應(yīng)系統(tǒng)功能流程圖

1.1 圖像處理模塊

為使智能坐便器能夠準確地檢測到肛門位置，本系統(tǒng)配置了圖像處理模塊，主要由攝像頭和用于圖像處理的MCU組成。當用戶按下臀洗按鍵時，即啟動采集當前的臀部圖像，利用平面模型將兩個攝像頭所拍攝的圖像進行融合，完成圖像拼接，通過MCU進行圖像處理，實現(xiàn)精確定位肛門位置的目的。

圖4 灰度值處理量化示意圖

本系統(tǒng)在智能坐便器的底部前后壁面分別設(shè)計了兩路攝像頭，可以從前后兩個角度拍攝，保證臀部圖像的全視角，還原度更好，保證信息采集的全面性。當光線照射臀部，臀部上的光線反射通過鏡頭聚焦，攝像頭即可感知到圖像。攝像頭按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點。MCU接著對攝像頭采集到的圖像進行圖像融合和灰度值處理，先利用圖像拼接和圖像融合技術(shù)將兩幅圖像進行平面融合，再生成僅有不同灰度色塊的圖像，并將所得圖像根據(jù)其色塊的亮度進行量化[2]，從而得到可供處理的二維數(shù)組，灰度值處理量化示意圖如圖4所示。

當光線從正面發(fā)出時，距離最遠的位置即圖像上最黑點的位置，因此采集到的圖像中灰度值最大的點便是肛門的位置，也就是伸縮桿清洗水噴出的對應(yīng)位置。

1.2 伸縮旋轉(zhuǎn)模塊

當圖像處理模塊確定了肛門所在位置后，就需要自由移動伸縮桿，使桿上的噴頭準確定位于肛門位置的正下方，保證出水與洗凈功能。然而目前市場上的智能坐便器伸縮桿只具有垂直伸縮的功能，若人體臀部并沒有處于中軸線上時，清洗水就無法正確沖洗到肛門位置。

本系統(tǒng)的伸縮旋轉(zhuǎn)模塊對傳統(tǒng)的伸縮桿進行了改造，采用兩組步進電機分別控制伸縮桿的前后移動以及伸縮桿的左右旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了伸縮桿的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達到準確定位與沖洗的目的。

MCU在得到當前肛門所在位置后，通過輸出PWM方式調(diào)節(jié)電機驅(qū)動芯片，控制兩組步進電機的步距角，分別控制伸縮桿長度與旋轉(zhuǎn)角度，使得噴嘴能準確對準肛門位置。同時系統(tǒng)依然會額外保留伸縮桿進退與旋轉(zhuǎn)的按鍵功能，隨時方便用戶的個性化設(shè)置，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)與用戶調(diào)節(jié)的結(jié)合。

1.3 指紋識別模塊

指紋識別模塊旨在利用指紋來識別使用者，基于噴頭出水的流量、水溫和清洗力的性能參數(shù)。一方面記錄每個人的用水參數(shù)，另一方面調(diào)用用戶習慣的清洗性能，自動滿足用戶需求。指紋識別模塊主要由MCU、指紋傳感器、TF卡組成。將指紋傳感器嵌入到臀洗按鍵中，當用戶按下臀洗按鍵時，系統(tǒng)便可以自動采集指紋。

指紋識別模塊的功能流程圖如圖5所示。當用戶按下臀洗按鈕時，MCU將其與TF卡中儲存的指紋數(shù)據(jù)進行比對，判斷用戶是否首次使用。若數(shù)據(jù)不存在，系統(tǒng)會調(diào)用一組舒適度較好、普適性較強的默認參數(shù)供用戶直接使用；若數(shù)據(jù)存在，系統(tǒng)會將清洗水的流量、水溫、清洗力調(diào)整到對應(yīng)數(shù)據(jù)。當然，不論用戶是否首次使用，均可在清洗過程中隨時通過按鍵修改參數(shù)，系統(tǒng)也會及時調(diào)整用水，直到接收到停止信號(到達清洗時限自動停止或用戶按下停止按鍵)，TF卡將記錄下經(jīng)過修改的最終參數(shù)[3]，從而記憶了用戶最新的用水習慣，方便下次調(diào)用。

圖5 指紋識別模塊功能流程圖

2 結(jié)論

隨著社會的快速發(fā)展以及人們觀念的變化，越來越多的人追求生活品質(zhì)和健康享受，智能坐便器產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為了未來的一大趨勢，這就對智能坐便器功能的日臻完善提出了更高的要求[4]。

智能坐便器清洗自適應(yīng)系統(tǒng)立足于提升智能坐便器的自動化與智能化水平，加大使用者的便利度與體驗感，實現(xiàn)了無論是否第一次使用，都能在用戶免操作的情況下，保證系統(tǒng)的全自動運行，同時也能實現(xiàn)用戶的自我調(diào)節(jié)，滿足個性化需求。

相信集多功能、個性化、人性化于一體的智能坐便器，會營造出新型的高品質(zhì)生活，必將受到消費者的青睞，其市場前景也會非常廣闊。