關于物聯網智能坐便器的控制初探*

黃麗敏 黃甲欣 趙光華 龔正平 肖國龍 黃洽明 蔡沛旭

(廣東櫻井科技有限公司 廣東 潮州 521000)

1 物聯網概述

物聯網(Internet of Things,Io T)是一種通過互聯網將物體(如設備、系統、服務)連接起來的技術和概念,是通過傳感器、軟件、網絡連接等信息傳遞和通訊技術,將各種物品或設備連接到互聯網上,實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理的網絡。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交換數據,并通過分析這些數據以提供更加智能的服務和增強的用戶體驗。

1.1 基本原理

物聯網的實施涉及到硬件(傳感器、執行器、網關)、軟件(數據處理、設備管理、用戶界面)、網絡連接和數據安全等多個方面。整個系統的設計要考慮到可擴展性、可靠性、維護成本和用戶體驗。其基本原理可以概括為以下幾個方面:

(1)感知和數據采集。物聯網系統首先需要從物理環境中感知信息。這通常由各種傳感器完成,如溫度、濕度、光照、運動、音頻、視頻等傳感器。這些傳感器能夠捕捉到周圍環境的變化并將其轉換為電信號。

(2)數據傳輸。感知到的數據需要通過某種方式傳送到數據處理中心或其他設備。這可以通過有線連接如以太網,或無線技術如Wi-Fi、藍牙、Zigbee、LoRaWAN、NB-Io T、5G 等來實現。

(3)數據處理和分析。收集的數據通常需要經過處理和分析,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備上完成,也可以在云平臺或邊緣計算設備上進行。數據分析可以包括模式識別、趨勢分析、異常檢測等。

(4)響應和控制。基于數據分析的結果,物聯網系統可以執行特定的響應或控制任務。這可能包括調整溫度、啟動或停止設備、發送通知或警報等。執行這些任務通常需要通過執行器或控制系統來完成。

(5)網絡互聯和集成。物聯網設備不是孤立工作的,它們需要與其他設備或系統集成,形成一個互聯的網絡。這需要兼容的通信協議和標準,以確保不同設備之間的有效通信。

(6)用戶接口。用戶需要與物聯網系統進行交互,設置參數、接收通知或查看數據。這通常通過用戶界面實現,如移動應用、網頁儀表板等。

(7)安全性和隱私。物聯網設備通常處理大量個人或敏感數據,因此必須確保數據傳輸和存儲的安全性,防止未授權訪問或數據泄露。加密技術、安全協議和隱私保護措施在這里起著關鍵作用。

隨著技術的進步,物聯網的應用場景正在迅速擴展,涵蓋了智能家居、工業自動化、智慧城市、醫療保健等眾多領域。

1.2 物聯網技術在衛生設備中的創新應用

物聯網技術在衛生設備中的應用正在逐漸成熟,它通過在設備中嵌入傳感器和網絡連接,使設備能夠收集數據、自動化操作,并遠程控制。因此衛生設備是物聯技術的載體,是由物聯技術的一種具體體現,而物聯網技術是衛生設備智慧化的靈魂和核心。筆者列舉以下物聯網技術在衛生設備中一些創新應用的例子:①智能坐便器。智能坐便器可以通過物聯網技術實現多種功能,包括自動沖洗、座圈加熱、夜間照明、自動清潔和消毒、健康監測(例如分析尿液),甚至遠程診斷和維護。②智能水龍頭。通過安裝傳感器,智能水龍頭可以檢測手的位置自動開關,節約用水,并通過數據分析用戶的用水習慣,有助于水資源管理。③智能淋浴系統。這些系統可以根據用戶的偏好調節水溫和流量,追蹤水的使用量,甚至可以與音樂設備或智能燈光系統同步,創造個性化的沐浴體驗。④智能浴缸。物聯網技術使浴缸能夠自動調節水溫、水位,并添加泡泡浴液等,同時監控水質并保持清潔。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,甚至用戶的健康數據和美容建議。⑥健康監測設備。衛生設備中的物聯網技術可以用來監測用戶的健康狀況,如體重、血壓、血糖等,并將這些數據發送至用戶或醫療專業人員的智能設備上。⑦智能排風扇。智能排風系統可以監測濕度和空氣質量,自動開啟或調節風速,以保持室內空氣的清新和干燥。⑧智能垃圾桶。可以監測垃圾量并自動密封和更換垃圾袋,還能聯網通知垃圾處理服務進行垃圾收集。⑨遠程控制和監控。用戶可以通過智能手機、平板或電腦遠程監控和控制家中的衛生設備,即使在外出時也能管理和調整設備設置。⑩節能管理。物聯網技術使衛生設備能夠更有效地使用能源,例如,通過監測使用模式來優化加熱水的時間或自動關閉未使用的設備。

物聯網技術的這些應用不僅增加了衛生設備的便利性和效率,還提高了用戶的舒適度和滿意度,同時通過數據收集和分析,促進了健康和環境可持續性。隨著技術的不斷進步和成本的降低,我們可以預見未來物聯網在衛生設備中的應用將會更加廣泛和深入。

2 智能坐便器的設計要求與功能

智能坐便器是物聯網技術在衛浴設備中的應用之一,其設計理念和原則旨在提升其使用的智慧化程度。智能坐便器的設計應考慮到用戶的舒適體驗,包括座溫調節、按摩、自動翻蓋等功能;能夠根據不同用戶的偏好和習慣,提供個性化的設置和記憶功能;通過自動噴嘴清潔、UV 殺菌、除臭等功能,保持坐便器和使用環境的衛生;采用先進的節水技術,如動態水流控制和低流量沖洗設計,以減少水資源消耗;能夠與智能家居系統或應用程序連接,實現遠程控制、使用數據分析和維護提醒;智能坐便器應適應不同環境條件,比如濕度控制和防滑設計;技術含量高的產品也應保持用戶界面簡單直觀,以便所有年齡段的用戶都能輕松操作。

2.1 用戶界面設計

智能坐便器的用戶界面(UI)設計至關重要,因為它直接影響到用戶的操作體驗和產品的易用性。良好的用戶界面設計能夠確保用戶輕松地訪問和使用所有高級功能,而不會感到困惑或沮喪,即功能增加,但操作更便利。①直觀的圖標和按鈕:使用容易理解的圖標和符號來表示不同的功能,如水溫、座溫、沖洗等。②簡化的操作流程:確保用戶能夠通過盡可能少的步驟實現功能,比如一鍵沖洗或自動清潔。③在設計智能坐便器的用戶界面時,應當進行充分的用戶測試,確保不同年齡和背景的用戶都能夠無障礙地使用產品。此外,隨著技術的發展,智能坐便器的UI設計也應適時更新,以吸納最新的交互設計趨勢和用戶反饋。

2.2 功能需求分析

智能坐便器作為智能家居系統的一部分,其功能需求分析應圍繞用戶的實際需求、便利性、舒適性、衛生、節能環保、智能化等方面進行。

(1)用戶需求調研。考慮不同年齡、性別、身體狀況的用戶;了解用戶對衛生間使用的偏好和習慣。

(2)基本功能需求。例如:根據使用情況自動或一鍵沖洗;根據環境溫度或設定值自動調節座圈溫度;感應用戶接近和離開,自動開合坐便器蓋;女性清洗和臀部清洗,水溫、水壓和噴頭位置可調;通過溫風烘干,用戶可調節風溫等。

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

(4)節能環保需求。智能調節水量,減少不必要的水資源浪費;優化能源使用,如使用LED 照明和節能加熱技術。

(5)智能化需求。通過手機應用或其他智能設備遠程操作;集成傳感器分析排泄物,提供健康建議(可選高端功能);集成語音助手,實現無接觸操作。

(6)可拓展性與升級需求。模塊化設計,方便未來升級或添加新功能;軟件更新,支持通過網絡更新固件和軟件。

在進行功能需求分析的過程中,需要不斷回顧和驗證這些需求與用戶的實際使用情況是否相符,以及是否符合市場趨勢和技術發展。此外,考慮到成本和市場接受度,可能需要在高端型號和標準型號之間做出功能取舍。通過調研得到的數據應被用來指導產品設計、開發和迭代過程。

2.3 控制器設計

智能坐便器的控制器設計是一個涉及多個領域的復雜過程,包括軟件開發、機械設計以及用戶體驗。①軟件設計:固件編程,編寫嵌入式軟件來控制硬件組件的操作;功能邏輯,設計智能化功能,如自動清潔、節能模式、用戶識別等;用戶界面,設計物理按鈕或觸摸屏界面,提供易于使用的用戶交互;APP開發,如果需要遠程控制,設計配套的手機應用程序;數據處理,如有必要,處理和存儲使用數據,用于用戶習慣學習或故障預警。②機械設計:設計坐便器的結構,確保電子部件的安裝和水電線路的安全;確保所有的動作部件可以平穩、安靜地工作;考慮到清潔和維護的便利性。③用戶體驗:關注用戶在使用過程中的感受,不斷優化用戶界面和控制邏輯;提供簡單明了的使用說明和便捷的客戶服務。

2.4 針對衛生設備控制的特有設計方法

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,并通過傳感器輸入和用戶界面交互來操作執行器。

(1)傳感器數據處理。智能坐便器可能會使用多種傳感器,如紅外傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等,控制算法需要對這些傳感器的數據進行讀取和解釋,以便了解用戶的需求和環境狀態。對傳感器數據進行濾波,以消除噪聲和偶發的異常值。如果使用多個傳感器監測同一種物理量,算法可能需要融合這些數據,以提高準確性和可靠性。將傳感器數據轉換為有用的信息,比如用戶是否坐在坐便器上,是否離開等。

(2)用戶界面交互。控制算法需要對來自用戶界面(如按鈕、觸摸屏或遠程控制應用)的輸入做出響應。現代智能坐便器通常配備觸摸屏,用戶可以通過它直接選擇不同的功能。清晰的圖標和文字可以幫助用戶理解各個功能。屏幕應顯示當前的狀態信息,如水溫、座圈溫度、清潔模式等。

智能坐便器的數據處理與存儲是確保其智能功能正常運作的關鍵技術環節。在設計智能坐便器的數據處理與存儲系統時,要綜合考慮技術可行性、用戶體驗、安全性及法律法規要求。隨著技術的發展,智能坐便器未來可能會集成更多高級功能,對數據處理與存儲的要求也會隨之提高。

3 未來發展方向

智能坐便器作為智能家居生態系統的一部分,其未來的發展方向預計會集中在增強用戶體驗、健康監測、環境保護和技術集成等幾個關鍵領域。

(1)通過人工智能技術,智能坐便器能夠學習用戶的偏好,自動調整座圈溫度、水流強度和位置等。

(2)智能坐便器將可能具備更先進的健康監測功能,如分析尿液和糞便的成分,監測用戶的健康狀況,并能預警潛在的健康問題。

(3)智能坐便器將進一步采用節能技術,比如使用雨水沖洗、太陽能供電,以及改善水循環系統等。

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

(5)智能坐便器將更加無縫地與其他智能家居設備連接,形成統一的智慧生活網絡。

(6)研發新材料和設計,以提高產品的可持續性,減少對環境的影響。

(7)改善用戶界面,包括聲控、觸控屏和智能手機應用,提供更加直觀和個性化的用戶體驗。

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

智能坐便器通過長期監測用戶排泄物中的生物標志物,可為個人健康管理和早期疾病預警提供數據支持;對于行動不便或有特殊護理需求的老年人,智能坐便器可以通過自動化功能提供更好的照料等。