一种浴室环境智能控制系统设计*

吴雅珽，李婧瑶，赵和锋，张晓娟

(山西工程科技职业大学,山西 太原 030619)

在家庭浴室洗浴时会遇到很多困扰,例如:浴室在空闲状态时,浴室的环境比较潮湿;在使用状态下,可能会导致缺氧、昏厥甚至CO过量致死[1]。本文通过大量的实践设计了一款利用光照传感器调节灯光亮度,并可以通过心率传感器和温湿度传感器控制风扇开关及流通空气温度的半自动化浴室环境控制系统,使人在沐浴时有更好的体验。

1 系统方案设计

浴室环境控制系统主要是由ZigBee无线射频通信、协调器、终端和PC端监控界面四个部分组成。终端分为传感器节点(包括安装在终端上的传感器节点光照传感器、温湿度传感器、佩戴在身上的传感器节点心率传感器、CO传感器、火焰检测传感器、热释电红外传感器)和执行器风扇两部分。ZigBee无线射频通信的方式主要由设备的多少及希望达成的效果进行选择。在本设计中,所采用的无线射频通信方式是点播、组播和广播。传感器和执行器属于终端,本系统的运行方式有多种,方式一:终端中的传感器节点将获得的信息通过模块上的天线无线传输给协调器[2];方式二:终端中的传感器节点将获得的信息通过USB接口传输给PC端;方式三:协调器控制终端中的执行器;方法四:PC端设置正确端口与协调器相连,直接控制终端中的执行器;方式五:终端中的传感器节点将获得的信息通过模块上的天线无线传输给协调器,协调器经过判断来控制终端中执行器的开启,其中负责检测环境数据的传感器可有一个到多个自行控制,主要由模式确定。

2 系统硬件设计

2.1 光敏传感器电路设计

光照强度测量在浴室环境控制系统中是其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,如果灯的型号允许也可以扩展为将灯的亮度进行调节[3]。

2.2 温湿度传感器电路设计

本系统采用的温湿度传感器选用拥有专业采集技术及传感技术的DHT11数字温湿度传感器。该温湿度传感器是由一个电阻式干湿原件和一个NTC测温元件组成,此外还连接了一个高性能8位单片机。在极为精确的湿度校验室中进行校准的DHT11传感器,其校准系数以程序的形式在OTP内存中存在,在检测信号的处理过程中传感器内部要调用这些校准系数。通过单线制串行的接口,使系统集成变得简易快捷。极小的体积与极低的功耗,是此模块设计的最佳选择。

2.3 心率传感器电路设计

本设计中所用到的心率传感器型号为Pulse Sensor,是通过与身体接触感知人体心率一类的传感器。在本设计中,心率传感器为自动运行中使用状态下的重要组成部分。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。本设计具有防水功能,可在沐浴时贴身放置,在洗澡过程中,若发生头晕,眼前发黑甚至昏厥的情况,能够实时监测心率,当心率超过某一阈值时开启风扇,进行紧急防治,蜂鸣器可在突发情况下进行报警功能。在浴室有人使用的情况下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,有效共同控制风扇的开闭。

2.4 风扇执行器电路设计

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)。本系统使用的是5V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。

2.5 CO传感器电路设计

这一设计采用了ADC0832电压转换芯片,采用的是在空气中导电率较低的二氧化锡作为气敏材料的MQ-7CO传感器。在设计上采取了高低温循环检测模式:CO检测采用低温(1.5 V加热);高温(5.0 V加热)清洗低温时吸附的气体,其电导率随空气中CO气体浓度的升高而提高。由此转化为输出信号,对应CO气体浓度。单片机通过电压转换芯片读取传感器的电压,并换算成一氧化碳的浓度,将此浓度显示到显示屏上,当单片机检测到的浓度大于所设定的报警浓度界限时,蜂鸣器进行报警。

2.6 红外传感装置电路设计

本设计采用BISS0001红外热释电处理芯片,由于人体会发出波长约10 μm的红外线,而原热释电红外感应源对这一波长的红外线反应更为灵敏,因此基于热释电效应的热释电红外传感器,当人体进入感应器的范围内时,所产生的红外线会通过镜片汇聚到热释电元件上,这与元件先前测得的温度波长不同,而这一变化就会产生电荷失衡的现象,所以便可判断出有人或无人了。

2.7 水温控制系统电路设计

本次设计中采用数字式DS18B20温度传感器来测量温度,该传感器的供电电压范围在3 V～5 V之间,传感器采用单总线的接口方式,只需要一个端口就可以实现传感器与控制芯片之间的数据传输,测温范围为-55 ℃～125 ℃,以0.5 ℃递增,可以实现不同精度测量温度。同时该设计还采用PID调节的方法,通过单片机运算得到设备的开启断开时间,从而控制水温。首先设定PID算法的参数,然后对测量温度和设定温度进行比较,若测量温度大于设定温度且相差大于 20 ℃,则只打开冷水设备,相差小于 20 ℃,则通过进行PID运算得到冷水设备和热水设备的开启时间。若测量温度小于设定温度且相差大于 20 ℃,则只打开热水设备,相差小于20 ℃,则通过进行PID运算得到冷水设备和热水设备的开启时间。

2.8 智能安防系统电路设计

本设计采用一氧化碳气体检测传感器进行实时监测相关气体的浓度,选用的传感器型号为MQ-2气体传感器,当浴室环境的CO浓度较高时,传感器会立刻感知并发出响应,与之连接的蜂鸣器会及时发声报警;火焰传感器使用GH/YJH-7081型号,通过利用火焰探头感知外界紫外光的强弱变化同时转化为电流的变化,通过AD转换器反映其数值的变化(0-255),利用火焰检测传感器实时监测浴室环境里的火情状况,当室内出现火情的时候,火焰传感器上会有灯光闪烁,在其连接的蜂鸣器会及时发声报警。

3 总体程序设计

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。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。

图1 总体程序流程图

4 结语

本文设计的是一款浴室环境控制系统,可实现实时采集浴室环境信息、监测人体心率、自动开启风扇、智能报警、红外检测、智能调节水温等功能的智能浴室环境系统。主要是由ZigBee无线射频通信、协调器、终端和PC端监控界面四个部分组成。ZigBee无线射频通信采用点播、组播和广播方式。终端分为传感器节点(其中包括安装在终端上的传感器节点温湿度传感器、光照传感器、佩戴在身上的传感器节点心率传感器、CO传感器、火焰检测传感器、热释电红外传感器)和执行器风扇两部分。本系统采用多种运行方式,以便带给用户更好的体验感。