基于STM32的智能坐便器激光投影控制器設(shè)計(jì)*

徐 金 王學(xué)成 董 英 董長(zhǎng)江 董朝順

(1 唐山惠米智能家居科技有限公司 河北 唐山 063307)(2 惠達(dá)衛(wèi)浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

前言

隨著智能家居行業(yè)的發(fā)展和衛(wèi)浴智能化需求的變革，各類智能化資源的投入，給智能坐便器行業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的推力。

智能坐便器也稱為“電子坐便器”或“智能馬桶”,由美國(guó)人于1964年發(fā)明,20世紀(jì)80、90年代在日本開始普及，90年代初智能坐便器引入中國(guó)。2015年后智能坐便器行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，智能化的功能控制及人機(jī)交互多重方案設(shè)計(jì)也逐步被移植到智能坐便器上。

傳統(tǒng)的智能坐便器，大多采用機(jī)身控制器(如側(cè)按鍵、旋鈕等)和無(wú)線控制器(如遙控器、手機(jī)APP等)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能坐便器的功能控制和檔位調(diào)節(jié)，也有一部分搭載了新型的語(yǔ)音識(shí)別及手勢(shì)控制等方式來(lái)控制。因衛(wèi)生間具有潮濕、通風(fēng)不良、光照不足等環(huán)境特點(diǎn)，控制器上不可避免會(huì)有殘留的污物、細(xì)菌，使用者在使用控制器時(shí)，污物和細(xì)菌會(huì)接觸使用者的手部，不僅不衛(wèi)生，且有細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。

筆者簡(jiǎn)要介紹了一種新型控制器的設(shè)計(jì)方案，將激光投影技術(shù)和圖像采集編譯處理技術(shù)進(jìn)行移植及整合，結(jié)合衛(wèi)生間濕度高、光線不足等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種通過(guò)雙腳控制智能坐便器可視化控制系統(tǒng)，有效解決了使用者在使用智能坐便器時(shí)雙手沾染污物和細(xì)菌的問(wèn)題。

2 激光投影控制器的技術(shù)方案

本設(shè)計(jì)方案硬件部分由激光投影成像系統(tǒng)、激光定位系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)四部分組成。

圖1 設(shè)計(jì)方案部件安裝位置示意圖

激光投影成像系統(tǒng)安裝于智能坐便器陶瓷前端外壁，與水平線形成固定的夾角(具體需根據(jù)陶瓷弧度來(lái)確定安裝角度，以影像能在著座時(shí)使用者的雙腳之間為佳，筆者試驗(yàn)與水平線的夾角約為28°)。激光投影成像系統(tǒng)采用的低功率的激光發(fā)射源(同激光筆的配置，筆者試驗(yàn)采用的波長(zhǎng)650 nm激光源)，通過(guò)智能坐便器主控板內(nèi)的微控制器，可增加和減少發(fā)射功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)激光源亮度，激光透過(guò)刻有功能控制圖標(biāo)的光柵，將功能控制圖標(biāo)的影像透射到使用者著座后的雙腳之間的地面空白區(qū)域(根據(jù)實(shí)際使用情況，設(shè)定著座使用時(shí)雙腳間間距為400 mm)。

圖2 影像位置與雙腳關(guān)系示意圖

激光定位系統(tǒng)采用一字線激光發(fā)射器(筆者試驗(yàn)采用的激光波長(zhǎng)為808 nm，有效發(fā)射距離為1 m)，采用鋁制外殼增加散熱及后部封膠做好防水，可根據(jù)實(shí)際情況，適時(shí)調(diào)整輸出功率(筆者的試驗(yàn)功率約為50 mW)，激光發(fā)射器發(fā)出平行于投影平面的激光束，當(dāng)人體腳后跟落在對(duì)應(yīng)的功能按鍵位置時(shí)，則會(huì)阻礙激光的傳輸，并在腳跟的遮擋區(qū)域形成激光反射。由于激光源發(fā)出的波長(zhǎng)超出可見光的波長(zhǎng)范圍，使用者肉眼不可見，不會(huì)造成光污染，而在圖像采集時(shí)，遮擋位置形成反射激光束會(huì)形成月牙形狀的白色光斑，圖像分析時(shí)則作為特征點(diǎn)被收集及分析。

圖像采集系統(tǒng)作為激光控制器的信息收集系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)需要在衛(wèi)生間內(nèi)復(fù)雜的光線及濕度環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)投影圖像信息的精確采集，方案采用廣角鏡頭搭配低照度的圖像傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，鏡頭需采用定焦廣角鏡頭，且具有良好的防水效果(筆者試驗(yàn)采用的為舜宇4 mm廣角定焦鏡頭,如原廠鏡頭帶有偏光片，需取下后試驗(yàn))，圖像傳感器應(yīng)具有高靈敏度及適應(yīng)低照度的特點(diǎn)(筆者試驗(yàn)用的圖像傳感器為鎂光AR0230)。默認(rèn)輸出的圖像格式為640*480 30FPS，以保證能夠充分辨識(shí)特征點(diǎn)的前提下，不會(huì)額外增加數(shù)據(jù)的處理量。將組裝好的圖像采集模塊，根據(jù)上述的安裝位置，調(diào)整好焦距并固定。

圖像處理系統(tǒng)是激光控制器的核心，工作任務(wù)為將圖像采集系統(tǒng)收集的圖像信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及辨識(shí)，后發(fā)送對(duì)應(yīng)功能的指令給到智能坐便器的相應(yīng)功能部件以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。圖像處理系統(tǒng)采用Cortex-M3以上為內(nèi)核的微控制器(筆者試驗(yàn)采用意法單片機(jī)STM32F103ZET6)，能夠同時(shí)滿足圖像數(shù)據(jù)處理的需求和智能坐便器的功能部件的配置需求。

圖3 激光投影控制器功能使用示意圖

3 激光投影控制器的工作原理及邏輯

智能坐便器開啟電源后，主控板微控制器進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成各項(xiàng)微控制器配置，其中包含激光投影控制器初始化及其他功能參數(shù)的初始化。

激光投影控制器的初始化步驟如下：

(1)圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)配置原始參數(shù)，包括但不限于算法、通信協(xié)議、圖像格式、圖像幀數(shù)、閾值。

(2)激光投影系統(tǒng)啟動(dòng)，圖像采集系統(tǒng)采集原始圖像，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)往圖像處理系統(tǒng)，微控制器將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，后將有效的單點(diǎn)像素邊緣像素點(diǎn)進(jìn)行八位關(guān)聯(lián)，去除無(wú)效的噪聲，進(jìn)而構(gòu)建出每個(gè)功能投影的區(qū)域范圍，如下圖所示。

圖4 圖像處理坐標(biāo)點(diǎn)的示意圖

(3)如未確定有效的區(qū)域范圍，微控制器調(diào)整激光投影系統(tǒng)的發(fā)射功率，調(diào)節(jié)圖像投影的亮度，優(yōu)化圖像采集效果。

(4)確定區(qū)域范圍成功后，微控制器根據(jù)既定算法，在采集的圖像數(shù)據(jù)中建立坐標(biāo)系，其中圖示原點(diǎn)位置為其中一個(gè)功能投影的邊界點(diǎn)，因?yàn)榇它c(diǎn)趨向于圖像中心，而廣角鏡頭的圖像采集時(shí)非中心位置會(huì)出現(xiàn)畸變，故以此位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(x0，y0)，保證原點(diǎn)位置的精度。

(5)取左上方的控制區(qū)域?yàn)槔瑢⒕匦螀^(qū)域的對(duì)角點(diǎn)作為邊緣臨界點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，在坐標(biāo)系內(nèi)生成邊界坐標(biāo)點(diǎn)(x1，y1)和(x2,y2)，以此類推，將其他有效的投影影響邊界進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，取每個(gè)功能功能投影邊緣區(qū)域的左上、右下作為臨界點(diǎn)，設(shè)定為邊界坐標(biāo)點(diǎn)，并作為對(duì)應(yīng)功能的區(qū)域臨界坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到微控制器或外掛FLASH。

(6)激光投影控制器關(guān)閉，初始化完成。

如因特殊情況出現(xiàn)無(wú)法確定功能按鍵閾值的情況(如鏡頭前方出現(xiàn)遮擋或定位失效等情況)，曾初始化失敗，微控制控制板載蜂鳴器提示報(bào)警音，提示使用者激光投影控制器初始化失敗。

所有配置初始化完成后，可供使用者使用，當(dāng)使用者坐在智能坐便器座圈上，此時(shí)位于座圈內(nèi)部的靜電傳感器監(jiān)測(cè)到人體信號(hào)連續(xù)10 s后，智能坐便器進(jìn)入入座使用狀態(tài)，此時(shí)開啟激光投影控制器，當(dāng)使用者需要使用功能時(shí)，將腳移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，從而遮擋定位激光形成的月牙形光斑，圖像采集系統(tǒng)將圖像信息傳送至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)算法確定月牙區(qū)光斑的中心(月牙區(qū)域光斑中心，不做為特定形狀約束，根據(jù)各位置的落點(diǎn)情況，通過(guò)算法實(shí)時(shí)調(diào)整)，當(dāng)其中心位于對(duì)應(yīng)功能按鍵區(qū)域內(nèi)，且有70%以上光斑落入到此功能區(qū)域內(nèi)，則視為使用功能，微控制器收到指令后，則蜂鳴器發(fā)出一聲聲響，提示已經(jīng)正確接收指令并執(zhí)行；如月牙光斑中心落入，但落入此區(qū)域的光斑范圍未超過(guò)70%，則視為誤觸；光斑中心未在制定區(qū)域內(nèi)，則視為未使用控制器的功能。

圖5 圖像處理光斑落入時(shí)的示意圖

關(guān)于月牙形光斑的區(qū)域中心的確定，筆者采用如下的方法，此方法相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)試驗(yàn)也可基本滿足要求。

圖像光斑區(qū)域經(jīng)圖像處理系統(tǒng)處理后，確認(rèn)四個(gè)臨界點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，分別為左臨界點(diǎn)(xL,yL)、右臨界點(diǎn)(xR,yR)、上臨界點(diǎn)(xT,yT)、下臨界點(diǎn)(xB,yB)。設(shè)月牙形光斑左右對(duì)稱，則月牙形光斑中心坐標(biāo)(xC，yC)坐標(biāo)為：

xC=(xR-xL)/2;

yC=(yT-yB)/2；

當(dāng)且僅當(dāng)xC≤90 mm(鞋后跟寬度邊界范圍)時(shí)，方案成立，如不滿足，則無(wú)有效數(shù)據(jù)返回。

當(dāng)x1≤xC≤x2且y1≤yC≤y2時(shí)，視為月牙光斑中心坐標(biāo)位于投影有效控制區(qū)域內(nèi)，此時(shí)可進(jìn)行下部運(yùn)算。

分別去外圓弧特征點(diǎn)、內(nèi)圓弧特征點(diǎn)和左右臨界點(diǎn)為三點(diǎn)，做出外接圓，并確認(rèn)圖示中左右鄰接點(diǎn)與圓弧相關(guān)形成的陰影區(qū)域的面積，計(jì)算差值，并計(jì)算與投影有效區(qū)域的面積占比。

圖6 光斑落入占比算法示意圖

當(dāng)落入面積占月牙形面積比例超過(guò)70%的情況下，視為控制有效；當(dāng)占比不足70%時(shí)，則視為控制無(wú)效，不觸發(fā)微控制器進(jìn)行動(dòng)作指令輸出。

當(dāng)圖像信息處理完成并正確執(zhí)行指令后，激光投影控制器重新恢復(fù)到待啟用狀態(tài)，等待下一個(gè)用戶指令的輸入。

當(dāng)使用者用完離開智能坐便器后，靜電傳感器監(jiān)測(cè)到人體離開，此時(shí)整機(jī)進(jìn)入到待機(jī)模式，關(guān)閉激光投影控制器，啟動(dòng)離座沖水，沖水完成后，整機(jī)重新進(jìn)入待使用模式。

圖7 激光投影控制器的工作邏輯

4 結(jié)語(yǔ)

基于激光成像及圖像采集和處理的相關(guān)技術(shù)，在STM32微控制器的平臺(tái)上進(jìn)行的功能方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從原理上闡述了圖像采集和處理、工作邏輯及實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在智能坐便器的使用當(dāng)中，使用腳部控制智能坐便器，避免了雙手接觸控制器，使得使用者在使用過(guò)程中更加衛(wèi)生、便捷。