智能坐便器清洗自适应系统的研究*

2018-09-12吴意囡叶益阳翁晓伟

陶瓷 2018年9期

吴意囡叶益阳翁晓伟

(台州市质量技术监督检测研究院浙江台州 318000)

前言

智能坐便器是国内近几年来兴起的健康家电，目前处于高速发展阶段，随着居民生活水平的不断提高，越来越多的家庭开始注重健康的生活方式和较高的生活品质[1]，智能坐便器的功能需求也愈发朝着舒适与便捷方向发展。

臀部清洗是智能坐便器使用最多的功能之一，不断完善这一关键技术，是十分必要的。目前的智能坐便器只能满足简单的臀部清洗功能，主要存在以下局限性：清洗位置比较固定，需要人体自身的动作去寻找；伸缩杆只能在直线方向前后移动，清洗的覆盖面很有限；清洗水的各种性能缺乏记忆性，每次使用产品都需重新设定程序。

智能坐便器清洗自适应系统旨在提升使用智能坐便器产品的舒适度，提高智能化水平，使用者只需按下臀部清洗按钮，智能坐便器就可以自动识别臀部，准确定位肛门位置，记忆并调用清洗水性能，实现了臀部清洗功能的全自动化。

图1 智能坐便器清洗自适应系统整体框架图

1 系统设计

智能坐便器清洗自适应系统整体框架图如图1所示。

系统以微控制器为处理核心，主要由指纹识别模块、图像处理模块、伸缩旋转模块三部分组成。图像处理模块与指纹识别模块分别提供了肛门的位置信息与用户使用的特性参数，保证了自适应的伸缩杆出杆与喷头出水满足使用要求，自动化的流程给予使用者更舒适的如厕体验。系统示意图如图2所示。

图2 清洗自适应系统示意图

整个系统以按下臀洗按键为起始，以臀洗停止信号为结束，形成一个闭环的周期，系统的功能流程图如图3所示。

图3 清洗自适应系统功能流程图

1.1 图像处理模块

为使智能坐便器能够准确地检测到肛门位置，本系统配置了图像处理模块，主要由摄像头和用于图像处理的MCU组成。当用户按下臀洗按键时，即启动采集当前的臀部图像，利用平面模型将两个摄像头所拍摄的图像进行融合，完成图像拼接，通过MCU进行图像处理，实现精确定位肛门位置的目的。

图4 灰度值处理量化示意图

本系统在智能坐便器的底部前后壁面分别设计了两路摄像头，可以从前后两个角度拍摄，保证臀部图像的全视角，还原度更好，保证信息采集的全面性。当光线照射臀部，臀部上的光线反射通过镜头聚焦，摄像头即可感知到图像。摄像头按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点。MCU接着对摄像头采集到的图像进行图像融合和灰度值处理，先利用图像拼接和图像融合技术将两幅图像进行平面融合，再生成仅有不同灰度色块的图像，并将所得图像根据其色块的亮度进行量化[2]，从而得到可供处理的二维数组，灰度值处理量化示意图如图4所示。

当光线从正面发出时，距离最远的位置即图像上最黑点的位置，因此采集到的图像中灰度值最大的点便是肛门的位置，也就是伸缩杆清洗水喷出的对应位置。

1.2 伸缩旋转模块

当图像处理模块确定了肛门所在位置后，就需要自由移动伸缩杆，使杆上的喷头准确定位于肛门位置的正下方，保证出水与洗净功能。然而目前市场上的智能坐便器伸缩杆只具有垂直伸缩的功能，若人体臀部并没有处于中轴线上时，清洗水就无法正确冲洗到肛门位置。

本系统的伸缩旋转模块对传统的伸缩杆进行了改造，采用两组步进电机分别控制伸缩杆的前后移动以及伸缩杆的左右旋转，实现了伸缩杆的自适应调节，达到准确定位与冲洗的目的。

MCU在得到当前肛门所在位置后，通过输出PWM方式调节电机驱动芯片，控制两组步进电机的步距角，分别控制伸缩杆长度与旋转角度，使得喷嘴能准确对准肛门位置。同时系统依然会额外保留伸缩杆进退与旋转的按键功能，随时方便用户的个性化设置，实现自适应调节与用户调节的结合。

1.3 指纹识别模块

指纹识别模块旨在利用指纹来识别使用者，基于喷头出水的流量、水温和清洗力的性能参数。一方面记录每个人的用水参数，另一方面调用用户习惯的清洗性能，自动满足用户需求。指纹识别模块主要由MCU、指纹传感器、TF卡组成。将指纹传感器嵌入到臀洗按键中，当用户按下臀洗按键时，系统便可以自动采集指纹。

指纹识别模块的功能流程图如图5所示。当用户按下臀洗按钮时，MCU将其与TF卡中储存的指纹数据进行比对，判断用户是否首次使用。若数据不存在，系统会调用一组舒适度较好、普适性较强的默认参数供用户直接使用；若数据存在，系统会将清洗水的流量、水温、清洗力调整到对应数据。当然，不论用户是否首次使用，均可在清洗过程中随时通过按键修改参数，系统也会及时调整用水，直到接收到停止信号(到达清洗时限自动停止或用户按下停止按键)，TF卡将记录下经过修改的最终参数[3]，从而记忆了用户最新的用水习惯，方便下次调用。