基于Arduino平台的卫生间智能控制系统设计

岳秀明

摘 要：本系统突出卫生间的人性化智能控制，其具有可靠、稳定、无操作的特点。系统采用ATmega328P单片机为核心的Arduino UNO R3开发板作为实现平台，通过传感器采集空气质量数据、人员进出数量、如厕时间的数据。可以方便快捷的进行卫生间排气通风、照明控制、冲水控制。设计节省了平均使用时间，减少资源浪费，能够有效的实现节约能源的目的。

关键词：智能控制;排气通风;照明控制;冲水控制

1 绪论

在日常生活中，卫生间是常用场所，尤其是公共卫生间，更是解决了人们日常出行中难免要遭遇的尴尬之急，但是公共卫生间却存在着许多卫生问题。以校园卫生间为例，大部分都存在着大小便不冲、味道难闻、排气不通、照明设施故障等诸多问题。

随着智能化技术的快速发展，智能控制在卫生间应用也发挥作用，对于卫生间照明用电，冲水实现了精确控制，实现了节约用水用电。本卫生间智能控制系统设计目标是能实现大幅度的减少灯具的使用时间和能源消耗，相对于普通的照明系统，至少可以节约20%～25%的资源需求，减少家庭和学校、医院、公共卫生间等大型场合的电费支出。同时，排气系统能达到保证空气畅通，卫生间无异味，减少卫生间细菌传染，满足人们对于卫生间里干净、清洁要求，同时提高公共卫生间的管理维护效率的要求。

2 智能控制系统的总体设计思路

2.1  卫生间控制系统现状

目前国内外卫生间照明控制的基本方式有区域控制、网络控制、点控制、节能控制等。如在学校教学楼的公共厕所使用时间基本是白天，照明是手动点控制开关，冲水为手压式压力冲水阀，没有排气扇。而宿舍卫生间使用时间为全天，照明是区域控制，由宿管电箱控制，冲水为手压式压力冲水阀，没有安装排气扇。

通过研究照明、排气、冲水等存在问题，得出需要解决的几个关键问题主要包括传感器采集数据参数干扰问题、数据传输问题、如何实现弱电路对强电路的进行控制的问题、照明灯具的开关兼容手动自动措施、如何实现智能化，解决以上关键问题是本系统设计的主要目标。

2.2  卫生间智能控制系统的基本结构

该智能控制系统主要组成部分有输入单元、系统单元[2]和输出单元。输入单元即是传感器对数据进行采集，然后转换为电信号进行传输。系统单元是单片机处理输入单元的信号，经过处理得到的反馈。输出单元是接收系统单元的处理指令，然后作出相应的控制。

通常情况下，高校卫生间控制系统主要是保障人走灯灭通风，如果有人进入卫生间，通过门时会触感传感器，微处理器根据信号的不同，可以判断是有人进去还是有人出来，统计进出的人数差，判断这个值是否等于0来打开或者是关闭照明。超声波传感器监测人如厕时间，通过时间来确定冲水阀打开时间，从而达到节约用水的目的。氨气传感器和烟雾传感器用来监测卫生间空气问题，当氨气浓度大于预设值时，打开排气扇;当烟雾浓度达到预设值时，打开排气扇;根据两个信号时或的关系，当有一个满足条件时，就打开排气扇，进行卫生间通风。

2.3  实现智能化的途径和解决方案

在卫生间智能控制系统设计中，主要考虑到了节能环保、方便快捷两方面因素，对卫生间照明排气冲水进行系统性的改造，做到系统能高效利用能源，最低限度的能源实现卫生间照明，空气畅通以及节约用水。在保证照明质量的同时，有效的避免能源的浪费。

卫生间智能控制系统主要由中央控制单元、门口数量检测单元[3]、空气监测单元、灯光控制单元、排气通风控制单元、智能冲水阀这几部分组成。

在本系统中，每个单独的卫生间都会有一个中央处理器[4]，采用的是国产的Arduino UNO R3，低功耗高性能以ATmega328为核心的单片机，主要组成部分有复位按钮、外接电源孔、自动保险丝，其中传感器[5]将数据输入单片机，单片机将数据采集起来并且存储，通过内置时钟和烧写的程序进行处理，然后将处理结果发送到继电器实现低电压控制市电的操作。

3 系统调试及问题分析

3.1  系统调试

静态调试：对于硬件电路进行检测，检测是否有未连接的部分，焊口是否牢固等。同时用万用表进行电路检查，开路、短路的地方是否满足要求，电源地线是否达到要求等。继电器是否符合相关工艺规范。

软件调试：Arduino的语言是建立在C/C++基础上的，其实也就是基础的C语言。

用C语言进行卫生间智能控制系统的开发，当软件编写完成之后，在Virtual Breadboard软件当中进行系统运行，实现软件的程序检查调试。通过Virtual Breadboard软件进行具体的调试。

动态调试：当软件调试完成之后，把程序烧写在单片机上，然后进行实际调试。通过实际检查，发现一些逻辑过程当中的问题。

3.2  出现的问题及分析解决

问题1：在环境光满足卫生间自用时，系统仍在工作。

分析解决：在户外设置几个光照强度传感器，通过参考室内户外光差设置补偿参数，根据室内光照不满足使用时的参数作为对照量，当环境光不满足卫生間自用时，进行工作。

问题2：门口的计数装置是由2个光点传感器组合实现的方向判断，当门口有同时进出的2个人，可能会出现逻辑判断错误，将本来一个一进一出判断为两出或者两进。

分析解决：问题待定，暂时只有增加其他传感器进行判别。

问题3：热释电传感器会在人不动的时候检测不到。

分析解决：热释电传感器就和青蛙眼一样，只能识别活动的物体，当人有很小的一段时间动作低于热释电检测的距离时，传感器便会返回一个无人的参数，不是很准确，已经更换为超声波传感器。

4 总结

该系统突出人性化的智能控制，具有可靠、稳定、无操作的特点。以ATMEGA328单片机为核心的Arduino UNO R3开发板作为开发平台，实时监测光电红外信号、时钟信号、烟雾传感器信号、氨气传感器信号以及热释电红外信号，智能控制卫生间设备，合理有效解决各类大、中专院校的卫生间光照、冲水和异味问题，具有重要的使用价值和现实意义。

参考文献

[1]王嘉.基于用户行为的智能卫浴产品设计研究[D].大连：大连理工大学，2016.

[2]王少军.智能控制及其在机电一体化系统中的应用[J].绿色环保建材，2018（06）：224.

[3]贾兴丹，万秋华，于海.光电编码器测速方法现状与展望[J].仪表技术与传感

（作者单位：山东协和学院）