智能座便器硬件設計與研究

楊 磊 汪功明 陳 穎

(安徽職業技術學院 汽車工程學院，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著現代化制造企業的不斷創新與發展，人們的生活水平不斷地提高。 智能家居時代在當下智能化產品不斷進入到千家萬戶。同時家家戶戶也都已經安裝了家用座便器，已經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行如廁的時候需要哪些幫扶,幼小的兒童在進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 智能座便器設計

1.1 現有智能座便器設計分析

目前， 國內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。 當前市場上的智能座便器不具備語音識別和升降調節功能，影響用戶的使用體驗及特殊人群的個性化需求， 和發達國家相比，市場占有率較低。

文獻[1]中，研究利用一種微波感應模塊，首先由微波感應模塊檢測到有人靠近或離開，發送信息給單片機控制系統；電動開閉組件反饋便蓋的位置信息給的單片機控制系統；然后單片機控制系統根據這兩條信息， 通過精確的算法處理，對便蓋的打開或關閉以及轉動速度進行精準控制。 實現智能馬桶便蓋自動開閉控制[1]。

1.2 整體硬件設計

本設計以校企創新合作企業恒特機電科技有限公司成功研發并進入市場的智能座便器部分功能模塊為基礎，旨在研發一種語音交互升降可調的智能座便器。 創新采取升降可調，其高度可根據不同人群進行智能調節，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；在面板指令的基礎上，創新增加了語音指令功能，采取人機語音交互， 可識別具體的語音指令執行相關操作，進一步提升座便器的智能性，適應不同人群的智能操控性要求，增強體驗感與舒適性，改善人居環境，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， 當核心處理器接收到了清洗按鍵選項，并結合開關型霍爾傳感器進行開關位置確定，通過溫度傳感器對坐便器的水溫，坐便等溫度進行采集，并輸送給處理器；LED指示燈用于幫助使用者進行判斷當前坐便器的工作狀態。 通過語音輸入相關的簡單指令， 例如開啟，關閉，那么通過語音解碼器將語音轉換成處理器可以識別的電信號送給處理器進行程序的判斷。當處理器得到控制命令將進行判斷并去控制坐便器的位置。例如控制升降電機來驅動升降機械裝置使電機能夠執行上升，下降，復位，停止等動作。

圖1 整體框架設計圖

當電機驅動得到智能蓋板打開，將啟動智能開關蓋電機模塊的功能，打開蓋板。當需要進行沖水時，無水箱沖水模塊，可進行無水化沖測模式。 智能坐便器分水閥可以對水流等情況進行控制。

1.3 語音識別模塊

為了能夠讓智能座便器更加準確無誤地識別命令，首先要對一些關鍵詞進行反復訓練，以達到識別精度準確無誤的目標。 通過編寫關鍵詞，經過前期語音的訓練和測試，達到使用級別，也為使用人員提供了語音命令關鍵詞，需說出關鍵詞才能夠執行對應的指令功能。

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，判斷執行控制命令。語音命令的執行具體流程， 開始時控制器進行開機的初始化，靜默待機狀態， 當時間判斷大于一定時長不工作，則判斷為休眠狀態進入休眠狀態，如果要被工作狀態喚醒，需要進行休眠到工作狀態的喚醒切換。 進入到工作狀態之后，語音命令將一直被循環，進行識別關鍵字，程序中的語音命令關鍵字.當識別到這些關鍵字中的匹配內容，將對這些命令進行執行，執行由控制器發出命令作用在相應的電機或驅動。 執行完之后就結束。

1.4 控制器模塊

基于ARM Cortex M4 內核的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算或DSP 處理的應用， 具有非常廣泛的應用前景。STM32F429 相對于STM32F1，主要優勢如下:更先進的內核[4]。STM32F429 采用CortexM4 內核，帶FPU 和DSP 指令集，而STM32F1 采用的是Cortex M3 內核，不帶FPU 和DSP 指令集。 更多的資源。 STM32F429 擁有多達256 KB 的片內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、 真隨機數發生器、OTP 存儲器等[5]。

1.5 電機控制模塊控制器模塊

PWM 電機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，由此波形對電機進行控制。 控制波形的輸出，能夠對電機的速度進行調節。該智能坐便器主要采用的電機是35BYJ46 驅動步進電機。

該型號35BYJ46 驅動步進電機，在性能上具有一定的優勢。表中分別從電壓，電阻，頻率，牽入轉距，自定位轉距，空載牽入頻率等參數對該驅動步進電機進行分析，同時在不同電阻阻值情況下分析了幾個參數的不同測量數據。

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，當智能坐便器感應到人靠近，那么將進行人體感應激活，對清洗部位選項進行判斷， 并按照此模式進行自清潔和清洗。 開始執行清洗功能過程中可以設置如下參數，例如清洗的水溫，座便的溫度，吹風的溫度，可調節水的壓力，調節噴管位置，同時可以開啟或者關閉節能裝置或者除臭裝置。 按照不同的功能進行選擇，并開啟對應的開關，執行完畢結束清洗并進行自清潔。

2 結語

為解決目前智能座便器主控制模塊設計不合理，更新換代較慢，智能化功能有限，不能滿足現有需求的問題。 本文以最新的主控制芯STM32F429 為基礎，開發功能強大的智能座便器主控制電路，并在原有產品基礎上，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，程序有待進一步優化，硬件電路設計，硬件整體還需測試和反復實驗。