一种浴室环境自动化分析控制系统的设计*

张晓娟

(山西工程科技职业大学,山西 太原030619)

智能家居的提出让家庭内的很多事情都变得更为方便和省心,智能照明、智能冰箱、智能窗帘等的提出者众多,但是作为一套房子的重要组成部分的浴室环境的智能管理却没有很多的人关注,基于这种情况,本设计提出了浴室环境控制系统。

1 系统方案设计

本浴室环境控制系统由感知层、传输层和应用层3部分组成。

1) 感知层。在本设计中光敏传感器是 “视觉”,负责感知浴室内部的光照强度;心率传感器是“听觉”,负责感知人体的心率值;温湿度传感器是“触觉”,负责感知浴室环境中的温度与湿度。

2) 传输层。在本设计中,系统的传输部分主要采用ZigBee技术对浴室内部的各种数据进行传输。

3) 应用层。浴室环境控制系统拥有2个执行器,主要侧重于对风扇的控制。

在浴室环境控制系统中,将两个ZigBee模块分别设置为终端与协调器,将传感器与执行器安装在终端上,将两个ZigBee模块通电,终端与协调器通过模块上的天线进行无线射频通信,进而协调器发送命令给终端,实现对终端的控制。该系统的结构方案如图1所示。

图1 浴室环境控制系统结构

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件框架设计

在本设计中ZigBee模块是基本硬件,传感器与执行器等都需要安装到ZigBee模块上,将其中一个模块设定为协调器,其余为终端,终端上连接各类传感器和执行器,协调器与终端之间通过无线射频技术将数据与命令进行传输。风扇和灯作为本设计中的两个执行器,灯是ZigBee模块上自带的,通过ZigBee模块上的按键进行无线控制,风扇与继电器相连,需要通过控制继电器来使风扇运作。

2.2 ZigBee 通信模块的电路设计

作为一种新型的无线通信技术,ZigBee不仅能耗低、成本低、传输速率低、复杂度较低而且它的应用前景也非常好。很多厂家都设计并制造了可以使用ZigBee协议的芯片,这些芯片都包含有ZigBee 通信协议中的物理层和访问控制层,它只需要少量的外设就可以做到无线通信,在本设计中,我们使用的是 TI 生产的 CC2530 芯片,用其来完成网络连接。

2.3 传感器电路设计

传感器在物联网的感知层中占据着重要的位置,是组成整个浴室环境控制系统不可或缺的一环。在本设计的自动模式中,主要使用了心率传感器、温湿度传感器以及光敏传感器3种,它们占据着主要地位,负责采集与室内的温湿度以及在有人洗澡时采集人体心率,浴室内的亮度也是需要采集的一环。这些传感器都连接在一个终端上,传感器将自己收集到的信息通过天线无线传输到协调器上,协调器通过判断将命令发送到执行器所在终端。执行器所处终端与传感器所处终端如果是同一个终端,则采用点播的方式进行通信;如果所处终端并非一个则采用组播的方式进行无线通信[1]。

2.3.1 温湿度传感器

浴室内的温湿度一直是被关注的问题,湿度过高的浴室会带来一些令人烦恼的困扰,而洗澡时温度过高也不是一个好现象。针对这种问题,本设计使用了DHT11来测量浴室中的温湿度。电路图如图2所示。

图2 DHT11电路图

2.3.2 光敏传感器

光照强度测量也是浴室环境控制系统中的一个环境测量数据,传感器将所测量的室内光照亮度的数据通过无线射频技术传输给协调器,协调器通过判断将终端上的灯进行亮灭控制。光敏传感器虽然可以具体测量出所处环境的光照强度,但因为灯的条件所限,在本设计中只能通过与阈值的比较来控制灯的亮灭,如果灯的功能允许也可以扩展为将灯的亮度进行调节,这里不做深入探讨。光敏传感器的电路图如图3所示。

图3 光敏传感器电路

2.3.3 心率传感器

在大多数情况下,当人的身体产生不适时,人体的心率会发生明显变化,人体的正常心率在一个区间,超出这个区间的心率都是不正常的,这时就需要发出警告,及时调节。在洗澡过程中,可能会因为各种原因产生头晕、眼前发黑甚至昏厥的情况,这些情况可大可小,所以一个便携式的心率传感器尤为重要,在洗澡时监测心率,超过某一阈值时开启风扇,进行紧急防治,如果家中有老人孩童也可以增加报警功能。在本设计中仅是将心率传感器所采集的数值与温湿度传感器所采集的数值进行结合,在浴室有人使用的情况下共同控制风扇的开闭。

2.4 风扇执行器的设计

风扇执行器是整个设计思路中最主要的构成部分,除光敏传感器外,其余传感器所监测的数据传递给协调器后,通过协调器的判断来控制风扇。

1) 手动模式下的风扇执行器的设计

风扇执行器在手动模式下主要是通过控制继电器来达到控制风扇的效果。继电器与主板相连,风扇连接在继电器上(除风扇外继电器上也可以连接台灯与LED灯)[2]。本设计使用的是5 V继电器,其控制端接线方式为VCC端接电源正极、GND端接电源负极、IN端为信号输入端。

风扇与继电器相连后,继电器吸合,风扇开启;继电器关闭,风扇关闭。继电器的运行状态可以通过绿灯观察,并且在吸合和关闭的过程中有明显的声音提示。

2) 自动运行下的风扇执行器的设计

自动运行下的风扇执行器的设计是在手动模式基础上加了传感器模块[3]。自动运行下有2个模式,在空闲状态下,添加了温湿度传感器,将浴室内的温湿度进行测量,并通过无线射频通信传输给协调器,如果浴室内的湿度过高或者温度过高,则打开风扇进行通风直到温度及湿度数值降到阈值之下,关闭风扇。在使用状态下,温湿度传感器与心率传感器共同负责测量温度、湿度及心率3个数值,如果协调器判断浴室内的湿度过高或者温度过高、人体的心率数值过大,则无线射频通信传输给终端控制风扇开闭。

3 系统软件设计

3.1 手动操作模式下的软件设计

光敏传感器需要读取 I/O 口的电平(即 DO 口电平)来判断当前环境的光照强度是大是小,同时还可以通过 ADC 读取 AO 口电压,来确认当前环境的光线强弱。在程序中对光敏传感器所用到的终端上的I/O口引脚进行配置;终端周期读取检测引脚电平后,输出显示在OLED屏上,并上传给协调器;协调器通过天线接收数据;光敏传感器每 0.5 s检测并上传一次数据。

温湿度传感器终端周期读取温湿度数据;协调器接收温湿度数据;终端周期采集时间默认为3 s一次。

心率传感器终端周期读取心率数据;协调器接收心率数据;心率每100 ms上传一次。

3.2 自动运行模式下的软件设计

在空闲模式下,有光敏传感器和温湿度传感器采集环境数据,光敏传感器控制灯光,与手动操作模式下设置一样,而温湿度传感器与继电器模块在同一程序中进行设置,设置温湿度与继电器模块的引脚,设置主要的判断语句,在温度过高或者湿度过高的情况下开启风扇,其余情况下关闭风扇。

在使用状态下,要在空闲状态的基础上添加心率传感器,将温湿度传感器、心率传感器与继电器模块写入同一程序,保障系统能够可以自主运行,设置温湿度传感器、心率传感器与继电器模块的引脚,设置主要的判断语句,在温度过高或者湿度过高及心率数值过大的情况下开启风扇,其余情况下关闭风扇。

4 结语

在本设计中将传统浴室中的照明方式改为了光敏传感器感知浴室内光照强度自动控制浴室内的灯光亮灭,省去了传统照明方式中频繁开关灯造成的开关磨损问题,在传统浴室甚至是最简智能浴室[4]的基础上增加心率传感器可以更加有效的感知人体情况的变化,在此基础上增加蜂鸣器可以增加报警功能,对家人在浴室内的安全情况更加放心。