蔡洪煒

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)柳州市 545000）

目前家用浴缸多為單一功能的單人浴缸和雙人浴缸，以及針對(duì)老人等活動(dòng)不便人群使用的浴缸[1]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制功能的浴缸[2]，多種按摩功能的浴缸已有多種尺寸的系列化產(chǎn)品[3]，具有多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)通信的一體化浴缸設(shè)計(jì)現(xiàn)也已不斷涌現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)為多功能控制裝置與浴缸缸體作為一個(gè)整體予以設(shè)計(jì)與制造[4]。

為了便于單一功能的浴缸實(shí)現(xiàn)智能化控制，提出一種以微處理器作為控制核心模塊及使用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的與家用單一功能的浴缸配套的智能控制裝置，也針對(duì)聾啞、盲人等殘疾人的使用進(jìn)行了特性化設(shè)計(jì)，提高了使用浴缸的舒適度[5,6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

對(duì)于家用浴缸的智能化的技術(shù)改造，采取的技術(shù)方案是：一種與家用浴缸配套的物聯(lián)網(wǎng)智能控制裝置，包括變壓裝置模塊，衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊，衛(wèi)浴間外控制通信模塊和智能家庭中央控制器。圖1是家用浴缸配套的物聯(lián)網(wǎng)智能控制裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖1中，變壓裝置模塊將220V交流電變壓整流為+24V直流電作為衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊和衛(wèi)浴間外控制通信模塊的直流電源。

衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊和衛(wèi)浴間外控制通信模塊在接通電源后，通常處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，在接收到輸入信息喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，能夠根據(jù)功能命令和水溫、水位實(shí)時(shí)輸入采集的信息以及水溫、水位設(shè)置的信息，按照識(shí)別的手勢(shì)功能指令或語音功能指令，或手動(dòng)觸控的觸控功能指令進(jìn)行處理，并通過Zigbee無線通信相互傳輸功能命令、信息以及語音信息。

衛(wèi)浴間外控制通信模塊還通過Wi-Fi無線通信與智能家庭中央控制器相互傳輸功能命令和信息、語音信息。智能家庭中央控制器通過Wi-Fi無線通信與手機(jī)相互傳輸語音信息，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)與封閉的衛(wèi)浴間內(nèi)的對(duì)講功能。

2 衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊電路框圖如圖2所示。

微處理器控制模塊Ⅰ可以采用STM32系列微處理器作為衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊的核心，接收衛(wèi)浴間外控制通信模塊通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸?shù)墓δ苊睿邮帐謩?shì)識(shí)別模塊Ⅰ所識(shí)別的手勢(shì)功能命令，接收語音識(shí)別模塊Ⅰ所識(shí)別的語音功能命令，接收觸控按鍵發(fā)光二極管模塊Ⅰ和液晶顯示觸摸模塊Ⅰ的觸控功能命令，并對(duì)功能命令進(jìn)行處理，將處理結(jié)果傳輸給液晶顯示觸摸模塊Ⅰ顯示對(duì)應(yīng)功能命令的文字和點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能的觸控按鍵發(fā)光二極管模塊Ⅰ的發(fā)光二極管，還將功能命令傳輸給語音識(shí)別模塊Ⅰ轉(zhuǎn)換成語音信息驅(qū)動(dòng)喇叭Ⅰ發(fā)出功能命令的語音。

溫度傳感器和水位傳感器分別采集浴缸的水溫和水位信息，并將水溫和水位信息分別通過水溫調(diào)理模塊和水位調(diào)理模塊傳輸至微處理器控制模塊Ⅰ，微處理器控制模塊Ⅰ將采集的水溫和水位信息傳輸給液晶顯示觸摸模塊Ⅰ顯示水溫和水位的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸至衛(wèi)浴間外控制通信模塊，微處理器控制模塊Ⅰ還接收衛(wèi)浴間外控制通信模塊通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸?shù)脑「姿疁睾退坏脑O(shè)置信息，并將信息傳輸給液晶顯示觸摸模塊Ⅰ顯示水溫和水位的設(shè)置信息，微處理器控制模塊Ⅰ還接收通過液晶顯示觸摸模塊Ⅰ設(shè)置的水溫和水位的信息，并通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸至衛(wèi)浴間外控制通信模塊，若微處理器控制模塊Ⅰ接收到冷水或熱水控制的功能命令，則按照功能命令的要求控制電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊分別對(duì)冷水龍頭電磁閥或熱水龍頭電磁閥實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)浴缸水溫和水位的自動(dòng)控制。

微處理器控制模塊Ⅰ接收衛(wèi)浴間外控制通信模塊通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸?shù)膱?bào)警、詢問是否需要幫助的信息，并將信息傳輸給液晶顯示觸摸模塊Ⅰ顯示對(duì)應(yīng)功能命令的文字和點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能的觸控按鍵發(fā)光二極管模塊Ⅰ的發(fā)光二極管，還將信息轉(zhuǎn)換成語音功能命令傳輸給語音識(shí)別模塊Ⅰ轉(zhuǎn)換成語音信息驅(qū)動(dòng)喇叭Ⅰ發(fā)出語音功能命令的語音。

微處理器控制模塊Ⅰ通過語音功能模塊Ⅰ接收麥克風(fēng)Ⅰ的語音信息，經(jīng)處理后通過Zigbee通信模塊Ⅰ傳輸至衛(wèi)浴間外控制通信模塊，還接收衛(wèi)浴間外控制通信模塊傳輸?shù)恼Z音信息，并通過語音功能模塊Ⅰ驅(qū)動(dòng)喇叭Ⅰ發(fā)出語音，實(shí)現(xiàn)封閉的衛(wèi)浴間內(nèi)與衛(wèi)浴間外的對(duì)講功能。

3 衛(wèi)浴間外控制通信模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的衛(wèi)浴間外控制通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3中的衛(wèi)浴間外控制通信模塊電路的主要電路模塊功能與衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊的電路基本相同。

微處理器控制模塊Ⅱ采用STM32系列微處理器作為衛(wèi)浴間外控制通信模塊的核心，接收衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊通過Zigbee通信模塊Ⅱ傳輸?shù)膱?bào)警或需要幫助的功能命令，以及接收其它功能模塊輸入的命令，并對(duì)命令進(jìn)行處理，將處理結(jié)果在液晶顯示觸摸模塊Ⅱ顯示和點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)功能的觸控按鍵發(fā)光二極管模塊Ⅱ的發(fā)光二極管，還將功能命令傳輸給語音識(shí)別模塊Ⅱ轉(zhuǎn)換成語音信息驅(qū)動(dòng)喇叭Ⅱ發(fā)出功能命令的語音。

圖2：衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊

圖3：衛(wèi)浴間外控制通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖

微處理器控制模塊Ⅱ還接收衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊通過Zigbee通信模塊Ⅱ傳輸?shù)脑O(shè)置浴缸水溫和水位的信息，并將信息傳輸給液晶顯示觸摸模塊Ⅱ顯示水溫和水位的信息。

微處理器控制模塊Ⅱ通過語音功能模塊Ⅱ接收麥克風(fēng)Ⅱ的語音信息，經(jīng)處理后通過Zigbee通信模塊Ⅱ傳輸至衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊，還接收衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊傳輸?shù)恼Z音信息，并通過語音功能模塊Ⅱ驅(qū)動(dòng)喇叭Ⅱ發(fā)出語音，實(shí)現(xiàn)封閉的衛(wèi)浴間內(nèi)與衛(wèi)浴間外的對(duì)講功能。

微處理器控制模塊Ⅱ通過USART串行通道與ESP8266的WiFi無線通信模塊連接，通信模塊向智能家庭中央控制器傳輸功能命令和浴缸水溫、水位的信息，還接收智能家庭中央控制器傳輸?shù)墓δ苊詈驮O(shè)置浴缸水溫、水位的信息，并與智能家庭中央控制器相互傳輸語音信息。

4 針對(duì)殘疾人的特性化功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對(duì)殘疾人的使用進(jìn)行了特性化設(shè)計(jì)，對(duì)于聾啞人設(shè)計(jì)了手勢(shì)識(shí)別功能，應(yīng)用液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示其實(shí)現(xiàn)的功能，針對(duì)盲人設(shè)計(jì)了語音識(shí)別功能。

圖4：衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊人機(jī)界面及電路位置安裝示意圖

4.1 手勢(shì)識(shí)別模塊區(qū)功能設(shè)計(jì)

手勢(shì)識(shí)別模塊區(qū)包括報(bào)警手勢(shì)識(shí)別區(qū)，浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)和詢問幫助手勢(shì)識(shí)別區(qū)。

報(bào)警手勢(shì)識(shí)別區(qū)將識(shí)別的手勢(shì)轉(zhuǎn)換為報(bào)警信號(hào)并傳輸至微處理器控制模塊進(jìn)行報(bào)警提示，所識(shí)別的手勢(shì)包括一個(gè)手指、兩個(gè)手指、三個(gè)手指、四個(gè)手指、五個(gè)手指和錘頭。

浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)將識(shí)別的手勢(shì)轉(zhuǎn)換為浴缸水溫控制功能命令并傳輸至微處理器控制模塊，所識(shí)別的手勢(shì)包括一個(gè)手指、兩個(gè)手指、三個(gè)手指和四個(gè)手指，所述一個(gè)手指表示加熱水，兩個(gè)手指表示加冷水，三個(gè)手指表示同時(shí)加熱水和冷水，四個(gè)手指表示關(guān)水。

詢問幫助手勢(shì)識(shí)別區(qū)將識(shí)別的手勢(shì)轉(zhuǎn)換為詢問幫助的手勢(shì)功能命令并傳輸至微處理器控制模塊，所識(shí)別的手勢(shì)包括一個(gè)手指、兩個(gè)手指、三個(gè)手指和四個(gè)手指，所述一個(gè)手指表示送衣褲，兩個(gè)手指表示送毛巾，三個(gè)手指表示送鞋子，四個(gè)手指表示已滿足需求。

浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)將識(shí)別的手勢(shì)轉(zhuǎn)換為浴缸水溫控制功能命令并傳輸至微處理器控制模塊，所識(shí)別的手勢(shì)包括一個(gè)手指、兩個(gè)手指、三個(gè)手指和四個(gè)手指，所述一個(gè)手指表示加熱水，兩個(gè)手指表示加冷水，三個(gè)手指表示同時(shí)加熱水和冷水，四個(gè)手指表示關(guān)水。

觸控按鍵發(fā)光二極管模塊和觸控按鍵發(fā)光二極管模塊各包括一組多個(gè)觸控按鍵發(fā)光二極管，每個(gè)觸控按鍵發(fā)光二極管包括一個(gè)觸控按鍵和一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觸碰一次觸控按鍵，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮，表示正在處理所對(duì)應(yīng)的功能，再觸碰一次觸控按鍵，發(fā)光二極管滅，表示所對(duì)應(yīng)的功能未被執(zhí)行。

觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅰ的發(fā)光二極管亮表示加熱水，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅱ的發(fā)光二極管亮表示加冷水，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅲ的發(fā)光二極管亮表示同時(shí)加熱水和冷水，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅳ的發(fā)光二極管亮表示關(guān)水，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅴ的發(fā)光二極管亮表示送衣褲，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅵ的發(fā)光二極管亮表示送毛巾，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅶ的發(fā)光二極管亮表示送鞋子，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅷ的發(fā)光二極管亮表示已滿足需求，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅸ的發(fā)光二極管亮表示請(qǐng)進(jìn)來，觸控按鍵發(fā)光二極管Ⅹ的發(fā)光二極管亮表示報(bào)警。

液晶顯示觸摸模塊Ⅰ和液晶顯示觸摸模塊Ⅱ分別設(shè)于液晶顯示觸摸區(qū)Ⅰ和液晶顯示觸摸區(qū)Ⅱ內(nèi)，均包括液晶顯示屏、液晶屏控制器和觸摸屏、觸摸屏控制器。采用ADS7843芯片作為液晶屏控制器與微處理器控制模塊Ⅰ或微處理器控制模塊Ⅱ通過FSMC-NOR信號(hào)線連接，觸摸屏控制器采用XPT2046芯片，與微處理器控制模塊Ⅰ或微處理器控制模塊Ⅱ通過SPI總線端口連接。

4.2 語音識(shí)別功能

語音識(shí)別模塊Ⅰ所識(shí)別的語音內(nèi)容包括加熱水、加冷水、同時(shí)加熱水和冷水、關(guān)水、報(bào)警、需要送衣褲、需要送毛巾、需要送鞋子、需要送化妝品、已滿足需求等。

所述語音識(shí)別模塊Ⅱ所識(shí)別的語音內(nèi)容包括加熱水、加冷水、同時(shí)加熱水和冷水、關(guān)水、報(bào)警、需要送衣褲、需要送毛巾、需要送鞋子、需要送化妝品和需要幫助嗎等。

語音識(shí)別模塊Ⅰ和語音識(shí)別模塊Ⅱ均采用LD3320 語音識(shí)別芯片，分別與微處理器控制模塊Ⅰ和微處理器控制模塊Ⅱ通過SPI總線端口連接。

語音功能模塊Ⅰ和語音功能模塊Ⅱ均采用FM34NE500B語音濾波、放大模塊，分別與微處理器控制模塊Ⅰ和微處理器控制模塊Ⅱ通過IIS通道連接。

5 電路系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

通常家用浴缸安裝在衛(wèi)浴間，一般家用浴缸兩邊靠墻，衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊人機(jī)界面及電路位置安裝示意圖如圖4所示。手勢(shì)識(shí)別模塊Ⅰ的報(bào)警手勢(shì)識(shí)別區(qū)Ⅰ設(shè)于詢問幫助手勢(shì)識(shí)別區(qū)左邊，浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)Ⅰ設(shè)于詢問幫助手勢(shì)識(shí)別區(qū)下方，觸控按鍵發(fā)光二極管模塊Ⅰ的10個(gè)觸控按鍵發(fā)光二極管設(shè)于浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)Ⅰ四周，液晶顯示觸摸區(qū)Ⅰ設(shè)于詢問幫助手勢(shì)識(shí)別區(qū)和浴缸水溫控制手勢(shì)識(shí)別區(qū)Ⅰ的右邊，喇叭Ⅰ和麥克風(fēng)Ⅰ設(shè)于報(bào)警手勢(shì)識(shí)別區(qū)Ⅰ下方。

衛(wèi)浴間外控制通信模塊安裝于衛(wèi)浴間外的墻上或靠近臥室門外的墻上，其衛(wèi)浴間外控制通信模塊的人機(jī)界面的安排與衛(wèi)浴間內(nèi)控制通信模塊人機(jī)界面采用類似的設(shè)計(jì)方法。

變壓裝置模塊安裝于衛(wèi)浴間外的墻上或靠近臥室門外的墻上，并位于衛(wèi)浴間外控制通信模塊的上方。

6 小結(jié)

本設(shè)計(jì)對(duì)于已有的家用浴缸只需要增加配套的物聯(lián)網(wǎng)智能控制裝置，以及控制冷熱水的電磁閥，即可將家用浴缸實(shí)現(xiàn)智能化的改造，而且針對(duì)殘疾人進(jìn)行了特性化功能設(shè)計(jì)，具備多種功能，可通過手勢(shì)、觸控按鍵、語音等方式控制浴缸的水溫和水位，還能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)浴間內(nèi)與衛(wèi)浴間外、衛(wèi)浴間內(nèi)與手機(jī)等的溝通交流，使人們使用浴缸更安全、方便。