智能座便器硬件设计与研究

杨 磊 汪功明 陈 颖

(安徽职业技术学院 汽车工程学院，安徽 合肥 230000)

0 引言

随着现代化制造企业的不断创新与发展，人们的生活水平不断地提高。 智能家居时代在当下智能化产品不断进入到千家万户。同时家家户户也都已经安装了家用座便器，已经是每个家庭配置不可分割的一部分。智能坐便器将为每个家庭提供日常的卫生如厕功能，同时也影响家庭成员的健康生活。 如何能够通过智能化的坐便器来给家庭各个成员带来不同的便利化，将是未来智能坐便器的发展方向。家庭中不同成员的需求是不一致的，如家庭中的老人在进行如厕的时候需要哪些帮扶,幼小的儿童在进行如厕的时候需要哪些帮扶，这些新型的需求都将是智能坐便器值得研究的方向。

1 智能座便器设计

1.1 现有智能座便器设计分析

目前， 国内市场的智能坐便器普遍存在操控单一、智能化水平较低等问题。 当前市场上的智能座便器不具备语音识别和升降调节功能，影响用户的使用体验及特殊人群的个性化需求， 和发达国家相比，市场占有率较低。

文献[1]中，研究利用一种微波感应模块，首先由微波感应模块检测到有人靠近或离开，发送信息给单片机控制系统；电动开闭组件反馈便盖的位置信息给的单片机控制系统；然后单片机控制系统根据这两条信息， 通过精确的算法处理，对便盖的打开或关闭以及转动速度进行精准控制。 实现智能马桶便盖自动开闭控制[1]。

1.2 整体硬件设计

本设计以校企创新合作企业恒特机电科技有限公司成功研发并进入市场的智能座便器部分功能模块为基础，旨在研发一种语音交互升降可调的智能座便器。 创新采取升降可调，其高度可根据不同人群进行智能调节，既可以解决部分行动能力丧失人群的如厕困境， 亦可以满足普通群体如厕的舒适度需求；在面板指令的基础上，创新增加了语音指令功能，采取人机语音交互， 可识别具体的语音指令执行相关操作，进一步提升座便器的智能性，适应不同人群的智能操控性要求，增强体验感与舒适性，改善人居环境，满足人民对美好生活的追求，提升幸福感。

如图1 所示，整体框架设计图，该智能坐便器主要采用了STM32 芯片处理器作为核心控制器， 当核心处理器接收到了清洗按键选项，并结合开关型霍尔传感器进行开关位置确定，通过温度传感器对坐便器的水温，坐便等温度进行采集，并输送给处理器；LED指示灯用于帮助使用者进行判断当前坐便器的工作状态。 通过语音输入相关的简单指令， 例如开启，关闭，那么通过语音解码器将语音转换成处理器可以识别的电信号送给处理器进行程序的判断。当处理器得到控制命令将进行判断并去控制坐便器的位置。例如控制升降电机来驱动升降机械装置使电机能够执行上升，下降，复位，停止等动作。

图1 整体框架设计图

当电机驱动得到智能盖板打开，将启动智能开关盖电机模块的功能，打开盖板。当需要进行冲水时，无水箱冲水模块，可进行无水化冲测模式。 智能坐便器分水阀可以对水流等情况进行控制。

1.3 语音识别模块

为了能够让智能座便器更加准确无误地识别命令，首先要对一些关键词进行反复训练，以达到识别精度准确无误的目标。 通过编写关键词，经过前期语音的训练和测试，达到使用级别，也为使用人员提供了语音命令关键词，需说出关键词才能够执行对应的指令功能。

语音命令的控制主要是采用语音输入模块，语音解码模块，控制器命令，判断执行控制命令。语音命令的执行具体流程， 开始时控制器进行开机的初始化，静默待机状态， 当时间判断大于一定时长不工作，则判断为休眠状态进入休眠状态，如果要被工作状态唤醒，需要进行休眠到工作状态的唤醒切换。 进入到工作状态之后，语音命令将一直被循环，进行识别关键字，程序中的语音命令关键字.当识别到这些关键字中的匹配内容，将对这些命令进行执行，执行由控制器发出命令作用在相应的电机或驱动。 执行完之后就结束。

1.4 控制器模块

基于ARM Cortex M4 内核的STM32F407 系列，增加了FPU 单元和DSP 指令集，并将主频提高到了168MHz(可获得210DMIPS 的处理能力)，非常适合需要浮点运算或DSP 处理的应用， 具有非常广泛的应用前景。STM32F429 相对于STM32F1，主要优势如下:更先进的内核[4]。STM32F429 采用CortexM4 内核，带FPU 和DSP 指令集，而STM32F1 采用的是Cortex M3 内核，不带FPU 和DSP 指令集。 更多的资源。 STM32F429 拥有多达256 KB 的片内SRAM，支持SDRAM、带TFTLCD 控制器、带图形加速器（Chorme ART、带摄像头接口）DCMv、加密处理器（CRYP），USB 高速OTG、 真随机数发生器、OTP 存储器等[5]。

1.5 电机控制模块控制器模块

PWM 电机控制模块电路原理图， 本模块主要是通过控制器输出控制信号，控制信号主要是PWM 波，由此波形对电机进行控制。 控制波形的输出，能够对电机的速度进行调节。该智能坐便器主要采用的电机是35BYJ46 驱动步进电机。

该型号35BYJ46 驱动步进电机，在性能上具有一定的优势。表中分别从电压，电阻，频率，牵入转距，自定位转距，空载牵入频率等参数对该驱动步进电机进行分析，同时在不同电阻阻值情况下分析了几个参数的不同测量数据。

1.6 智能座便器工作原理

具体分析该智能座便器的工作原理，当智能坐便器感应到人靠近，那么将进行人体感应激活，对清洗部位选项进行判断， 并按照此模式进行自清洁和清洗。 开始执行清洗功能过程中可以设置如下参数，例如清洗的水温，座便的温度，吹风的温度，可调节水的压力，调节喷管位置，同时可以开启或者关闭节能装置或者除臭装置。 按照不同的功能进行选择，并开启对应的开关，执行完毕结束清洗并进行自清洁。

2 结语

为解决目前智能座便器主控制模块设计不合理，更新换代较慢，智能化功能有限，不能满足现有需求的问题。 本文以最新的主控制芯STM32F429 为基础，开发功能强大的智能座便器主控制电路，并在原有产品基础上，增加智能语音以及升降控制模块等智能化功能，为老人、病人等需要帮扶人群提供智能化辅助。同时本设计功能还不是足够的完全，很多控制还有待提升，程序有待进一步优化，硬件电路设计，硬件整体还需测试和反复实验。