智能馬桶方案設(shè)計(jì)開發(fā)

現(xiàn)階段，隨著科技的不斷進(jìn)步，智能馬桶已經(jīng)逐漸走進(jìn)千家萬戶，人們對(duì)于智能馬桶的性能要求也在進(jìn)一步提高。利用PSD的人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式已經(jīng)無法滿足人們的需求，將微波傳感技術(shù)應(yīng)用于智能馬桶中，設(shè)計(jì)出更加簡潔時(shí)尚的衛(wèi)浴風(fēng)格，提高智能馬桶的功能，滿足人類的需求，可以更好地推動(dòng)相關(guān)行業(yè)不斷發(fā)展，為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

一、智能馬桶所用的微波傳感技術(shù)原理

1.1傳統(tǒng)智能馬桶應(yīng)用的檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的智能馬桶通過在馬桶中安裝位置敏感器以及紅外監(jiān)測(cè)器來對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，雖然能夠較為準(zhǔn)確地判斷出人體動(dòng)作，但是容易受到周圍環(huán)境的影響而導(dǎo)致檢測(cè)出錯(cuò)。紅外檢測(cè)器作為被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器，很容易受到溫度等環(huán)境的影響。而且這兩種人體檢測(cè)工具都無法應(yīng)用在非透明的材質(zhì)中，往往需要在馬桶上另外設(shè)置窗口來達(dá)到檢測(cè)的目的，嚴(yán)重影響了馬桶的整體設(shè)計(jì)效果。使用微波傳感技能利用開普勒原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的功能，在保證馬桶整體設(shè)計(jì)效果的同時(shí)，也能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。

1.2微波傳感技術(shù)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理

微波傳感技術(shù)通過發(fā)射高頻率的電磁波到空中，覆蓋馬桶周圍，當(dāng)人體接近馬桶時(shí)就自然進(jìn)入了微波傳感器的覆蓋面，微波傳感器發(fā)射出來的電磁波在觸碰到人體后自動(dòng)反射折回，傳感器根據(jù)接收到的電磁波，輸出中頻信號(hào)，即為多普勒信號(hào)。多普勒信號(hào)通過陷波器除去信號(hào)中的噪音，通過放大信號(hào)，傳入單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，最終衡量信號(hào)頻率來做出相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)作。多普勒信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)后，通過采集處理等模塊，進(jìn)行不同的信號(hào)處理，檢測(cè)頻率模塊進(jìn)側(cè)出信號(hào)的頻率，幅值檢測(cè)模塊檢測(cè)出信號(hào)的幅值，最后到達(dá)信號(hào)處理模塊。利用得出來的信息以及機(jī)器最初的設(shè)定值處理信號(hào)的概率信息，并傳回單片機(jī)，對(duì)本次執(zhí)行的動(dòng)作任務(wù)進(jìn)行反饋。當(dāng)無人使用時(shí)，微波傳感技術(shù)所發(fā)出的多普勒信號(hào)的幅值和頻率相對(duì)保持不動(dòng)；當(dāng)有人靠近時(shí)，微波傳感器自動(dòng)感應(yīng)到距離和運(yùn)動(dòng)速度，信號(hào)的幅值也會(huì)相對(duì)上升；在人離開時(shí)，信號(hào)幅值相對(duì)下降。多普勒信號(hào)的幅值和頻率分別由人和智能馬桶之間的位置以及二者相對(duì)的運(yùn)動(dòng)速度決定。

1.3微波傳感技術(shù)人體檢測(cè)運(yùn)動(dòng)流程

以某智能衛(wèi)浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)企業(yè)為例。該企業(yè)設(shè)計(jì)的智能馬桶，核心是由單片機(jī)對(duì)人體接近進(jìn)行檢測(cè)。假定預(yù)設(shè)值的幅值頻率以及相應(yīng)的判定條件后，對(duì)該企業(yè)設(shè)計(jì)的智能馬桶進(jìn)行功能數(shù)據(jù)變化檢測(cè)。當(dāng)試驗(yàn)員朝著微波傳感器的方向移動(dòng)，多普勒信號(hào)就會(huì)不斷增加，但是由于實(shí)驗(yàn)員和傳感器還有一定的距離，信號(hào)中還有很多噪音和雜聲，在通過信號(hào)濾波器的處理過后，將信號(hào)通過低頻放大器進(jìn)行不斷的放大。在放大的過程中采用交流耦合的方法，不僅能夠有效去除信號(hào)中的直流成分，還能夠讓信號(hào)在放大過程中保持清晰，單憑低頻放大器處理過后的信號(hào)不能讓單片機(jī)識(shí)別。該企業(yè)的技術(shù)人員為了解決這一問題，將被放大了的信號(hào)通過可調(diào)放大器進(jìn)一步放大，再利用數(shù)控技術(shù)控制信號(hào)放大的程度，直到多普勒信號(hào)可以被識(shí)別為止。

根據(jù)企業(yè)所使用的單片機(jī)功能確定可調(diào)放大器的放大倍數(shù)，同時(shí)記錄員記錄此時(shí)的幅值和頻率，將放大后的多普勒信號(hào)直接輸入單片機(jī)做進(jìn)一步處理。因?yàn)樵囼?yàn)員在不斷接近，幅值和頻率也在不斷變化，記錄員除了要對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄之外，還要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)記錄并存儲(chǔ)幅值和頻率，并通過算法進(jìn)行總結(jié)規(guī)律。和最初預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，幅值和頻率在逐漸增加且幅值是一條上升的曲線時(shí)，微波傳感控制器就會(huì)自動(dòng)判斷，試驗(yàn)員為有效的接近，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)輸出；反之，如果條件不滿足，微波傳感控制器則不會(huì)有任何信號(hào)輸出的反應(yīng)。通過該企業(yè)技術(shù)人員在事后輸出的波形圖中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)員從遠(yuǎn)處移動(dòng)到智能馬桶前方時(shí)，經(jīng)過相關(guān)軟件檢測(cè)后得出信號(hào)的整條曲線都成上升趨勢(shì)的結(jié)論；而在尾部波形曲線有一定的下降趨勢(shì)，此時(shí)試驗(yàn)員剛好走到智能馬桶的位置，并且停止移動(dòng)，此時(shí)雖然波形下降，但是馬桶接收到微波智能傳感的相應(yīng)命令已經(jīng)做出了翻蓋等動(dòng)作任務(wù)。而在試驗(yàn)員遠(yuǎn)離多普勒傳感器向遠(yuǎn)處移動(dòng)的過程中，微波檢測(cè)裝置檢測(cè)到的波形圖整體呈下降趨勢(shì)；當(dāng)波形下降到距離有效位置最長的時(shí)候，智能馬桶根據(jù)響應(yīng)命令執(zhí)行沖刷以及關(guān)蓋的任務(wù)。

同時(shí)，讓試驗(yàn)員從側(cè)面接近微波傳感器，通過后期形成的波形圖可知整體呈上升趨勢(shì)。單片機(jī)通過收集相應(yīng)的多普勒信號(hào)，并且檢測(cè)出相應(yīng)的幅值和頻率，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，提取出相應(yīng)的變化趨勢(shì)。根據(jù)趨勢(shì)走向信息做出預(yù)判，最終執(zhí)行相應(yīng)的命令信號(hào)輸出。單片機(jī)在對(duì)動(dòng)作判定的過程中主要依靠幅值和頻率以及整體變化趨勢(shì)，這三個(gè)方面都要在事先進(jìn)行預(yù)設(shè)，通過控制器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將采集分析后的信息和預(yù)設(shè)信息進(jìn)行對(duì)比，滿足全部條件則判定為有效，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如果任何一個(gè)條件不滿足，都視為無效判定。通過這樣的判定流程以及特定的判定條件，實(shí)現(xiàn)了微波傳感技術(shù)在智能馬桶中的應(yīng)用。

二、智能馬桶傳感硬件設(shè)計(jì)

2.1智能馬桶系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)

單片機(jī)在微波傳感系統(tǒng)中是最為核心的存在，通過單片機(jī)對(duì)微波傳感釋放出的多普勒信號(hào)進(jìn)行判定，并且輸出相應(yīng)的信號(hào)動(dòng)作。某智能馬桶中使用的單片機(jī)為美國出產(chǎn)的八位單片機(jī)，該單片機(jī)的性能較好，且具有較大含量的存儲(chǔ)功能，可以存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，運(yùn)用后期的軟件初始化中。除此之外，該單片機(jī)還有豐富的外設(shè)功能，不需要進(jìn)行額外的設(shè)置，加強(qiáng)了功能的一體化，簡化了設(shè)計(jì)步驟，最大程度地降低了設(shè)計(jì)成本。目前，國內(nèi)所使用的單片機(jī)中大部分應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行收集處理，通過10位的轉(zhuǎn)換器將信號(hào)輸送給處理模塊進(jìn)行分析，同時(shí)在系統(tǒng)中使用增強(qiáng)通信的串口模塊，加強(qiáng)智能馬桶的主控制系統(tǒng)和單片機(jī)之間的通信，保證信息可以及時(shí)地傳送給智能馬桶的主控制系統(tǒng)，根據(jù)人體動(dòng)作做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.2微波傳感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

微波傳感器是體現(xiàn)微波傳感技術(shù)的主要硬件，體積較小，且功耗較低，靈敏度高，對(duì)于智能馬桶的人體檢測(cè)，是可以被廣泛應(yīng)用的非常理想的設(shè)備。通過設(shè)備自帶的微天線發(fā)出高頻電磁波，根據(jù)電磁波反射回來的反射波進(jìn)行判斷，最終形成多普勒信號(hào)。如果沒有微波傳感器，微波傳感技術(shù)也就失去了意義。

以某企業(yè)研發(fā)的智能馬桶為例。該企業(yè)使用的微波移動(dòng)傳感器能能夠形成X波段的移動(dòng)傳感多普勒信號(hào)，通過多普勒信號(hào)的形成原理，將具備中頻信號(hào)特征的多普勒信號(hào)經(jīng)過處理傳送給單片機(jī)。微波傳感器作為實(shí)現(xiàn)智能馬桶的基礎(chǔ)設(shè)備，除了要具備良好的發(fā)射信號(hào)功能，還要保證和智能馬桶的設(shè)備感較為統(tǒng)一。

2.3微波傳感技術(shù)的陷波器和電路

從微波傳感技術(shù)的運(yùn)作原理中可以得知，通過微波傳感器釋放出來的多普勒信號(hào)進(jìn)行判斷，但在移動(dòng)過程中信號(hào)中的噪音和雜聲較多，信號(hào)整體變化較為緩慢，需要設(shè)置相應(yīng)的陷波器和整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)處理后，保證信號(hào)的清晰明確，再進(jìn)行下一步的擴(kuò)大，從根本上保證信號(hào)的準(zhǔn)確無誤，不會(huì)造成單片機(jī)的誤判。在使用智能馬桶的過程中，微波傳感技術(shù)主要針對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，首要檢測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)就是靠近和離開，某智能馬桶的設(shè)計(jì)人員在不斷的分析過程中發(fā)現(xiàn)，微波傳感技術(shù)中信號(hào)頻率集中在30～80Hz之間浮動(dòng)，一旦受到環(huán)境和電網(wǎng)中的輻射干擾，頻率容易增加到100Hz甚至120Hz，造成整體信號(hào)判斷失誤，發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。

在整體設(shè)計(jì)中加入了陷波器和整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理：首先，通過陷波器，處理外部環(huán)境的干擾，讓信號(hào)保持在正常頻率上；其次，通過整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，剔除掉其中的干擾信號(hào)，保證單片機(jī)可以更加準(zhǔn)確地判斷出多普勒信號(hào)的頻率。經(jīng)過該實(shí)驗(yàn)人員對(duì)安裝陷波器和整形電路后，外界環(huán)境的赫茲被陷波器弱化，雜亂頻率被濾波器有效地濾除。只有在信號(hào)的頻率一定的基礎(chǔ)上，才能保證后期的相關(guān)設(shè)備對(duì)于信號(hào)的判定更加準(zhǔn)確。

2.4微波傳感技術(shù)可調(diào)增益放大器

微波傳感技術(shù)所釋放出來的電磁波相對(duì)較弱，無法被單片機(jī)有效感應(yīng)，只能通過數(shù)控可調(diào)的增益放大器相對(duì)程度地放大信號(hào)，保證單片機(jī)可以有效接收到相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行判斷。多普勒信號(hào)在傳遞過程中，信號(hào)會(huì)逐漸減弱，但是不同智能馬桶所應(yīng)用的微波傳感器不同，單片機(jī)的型號(hào)也各不相同，通過低頻放大器后的多普勒信號(hào)仍然較為微弱，只有利用數(shù)控可調(diào)的增益放大器，才可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接收信號(hào)的功能。根據(jù)不同單片機(jī)的功能，對(duì)放大信號(hào)的倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證信號(hào)可以被單片機(jī)有效接收。以某衛(wèi)浴企業(yè)開發(fā)設(shè)計(jì)的智能馬桶中使用的數(shù)控可調(diào)增益放大器為例。該放大器包括固定放大器以及可調(diào)放大器兩種類型，放大器通過調(diào)整電位器的電阻數(shù)值實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整，電位器是由美國生產(chǎn)的數(shù)字電位器，屬于成本較低的50kΩ。在該電位器中還具有對(duì)接口滑動(dòng)端的控制，根據(jù)信號(hào)遞增遞減不同的串行程度達(dá)到控制滑動(dòng)端的目的，但是因?yàn)槠浔旧淼囊资?，在斷電后無法保存當(dāng)前對(duì)于滑動(dòng)端的控制值。所以，該企業(yè)將滑動(dòng)端的數(shù)值保存到系統(tǒng)軟件中，在系統(tǒng)開始時(shí)，通過系統(tǒng)初始化將滑動(dòng)端數(shù)值恢復(fù)，利用這種方法使得增益調(diào)整更加完善，調(diào)整后的信號(hào)被單片機(jī)完美的接收。數(shù)控可調(diào)增益放大器是微波傳感技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分，只有通過放大器，才能有保證后續(xù)判斷動(dòng)作的運(yùn)行。

三、智能馬桶的微波傳感技術(shù)軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)微波傳感技術(shù)的硬件技術(shù)后，還要針對(duì)微波傳感技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的軟件技術(shù)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)主要包括初始化系統(tǒng)、波形采集系統(tǒng)、幅值和頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及通信和信號(hào)靈敏度系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。軟件在開始后，首先，要將設(shè)備進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)自身以及內(nèi)部和外部的功能初始化，隨后對(duì)靈敏度以及判決參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這個(gè)步驟是軟件運(yùn)行流程中最為關(guān)鍵的步驟，只有提高了系統(tǒng)的靈敏度和判決參數(shù)，才能保證系統(tǒng)的正常準(zhǔn)確的運(yùn)行。其次，利用通信模塊對(duì)馬桶實(shí)行相應(yīng)的指令，此時(shí)軟件自身根據(jù)反饋出來的波形采集模塊的信號(hào)反應(yīng)，對(duì)信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行檢測(cè)處理，分析過后，判斷控制指令成立，輸出相應(yīng)的指令信號(hào)，馬桶完成指令；如果判斷指令無效，就相應(yīng)地輸出無效的信號(hào)。

總結(jié)

本文通過對(duì)微波傳感技術(shù)在智能馬桶中的應(yīng)用原理進(jìn)行詳細(xì)討論，根據(jù)相關(guān)的原理設(shè)計(jì)了智能馬桶的各個(gè)硬件和軟件的功能，主要體現(xiàn)通過微波傳感系統(tǒng)檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)人體的運(yùn)動(dòng)做出相應(yīng)的反應(yīng)，比如控制馬桶翻蓋、沖刷等，進(jìn)而提高智能馬桶的相關(guān)功能，進(jìn)一步推廣智能馬桶在生活中的應(yīng)用。

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