普通浴缸的智能化控制装置

蔡洪炜

（广西科技大学鹿山学院 广西壮族自治区柳州市 545000）

目前家用浴缸多为单一功能的单人浴缸和双人浴缸，以及针对老人等活动不便人群使用的浴缸[1]。随着现代技术的发展，恒温控制功能的浴缸[2]，多种按摩功能的浴缸已有多种尺寸的系列化产品[3]，具有多功能、智能化、网络通信的一体化浴缸设计现也已不断涌现，其结构为多功能控制装置与浴缸缸体作为一个整体予以设计与制造[4]。

为了便于单一功能的浴缸实现智能化控制，提出一种以微处理器作为控制核心模块及使用物联网进行通信的与家用单一功能的浴缸配套的智能控制装置，也针对聋哑、盲人等残疾人的使用进行了特性化设计，提高了使用浴缸的舒适度[5,6]。

1 系统设计方案

图1：系统设计框图

对于家用浴缸的智能化的技术改造，采取的技术方案是：一种与家用浴缸配套的物联网智能控制装置，包括变压装置模块，卫浴间内控制通信模块，卫浴间外控制通信模块和智能家庭中央控制器。图1是家用浴缸配套的物联网智能控制装置的系统设计框图。

图1中，变压装置模块将220V交流电变压整流为+24V直流电作为卫浴间内控制通信模块和卫浴间外控制通信模块的直流电源。

卫浴间内控制通信模块和卫浴间外控制通信模块在接通电源后，通常处于低功耗待机状态，在接收到输入信息唤醒进入正常工作状态后，能够根据功能命令和水温、水位实时输入采集的信息以及水温、水位设置的信息，按照识别的手势功能指令或语音功能指令，或手动触控的触控功能指令进行处理，并通过Zigbee无线通信相互传输功能命令、信息以及语音信息。

卫浴间外控制通信模块还通过Wi-Fi无线通信与智能家庭中央控制器相互传输功能命令和信息、语音信息。智能家庭中央控制器通过Wi-Fi无线通信与手机相互传输语音信息，从而实现手机与封闭的卫浴间内的对讲功能。

2 卫浴间内控制通信模块的设计

设计的卫浴间内控制通信模块电路框图如图2所示。

微处理器控制模块Ⅰ可以采用STM32系列微处理器作为卫浴间内控制通信模块的核心，接收卫浴间外控制通信模块通过Zigbee通信模块Ⅰ传输的功能命令，接收手势识别模块Ⅰ所识别的手势功能命令，接收语音识别模块Ⅰ所识别的语音功能命令，接收触控按键发光二极管模块Ⅰ和液晶显示触摸模块Ⅰ的触控功能命令，并对功能命令进行处理，将处理结果传输给液晶显示触摸模块Ⅰ显示对应功能命令的文字和点亮对应功能的触控按键发光二极管模块Ⅰ的发光二极管，还将功能命令传输给语音识别模块Ⅰ转换成语音信息驱动喇叭Ⅰ发出功能命令的语音。

温度传感器和水位传感器分别采集浴缸的水温和水位信息，并将水温和水位信息分别通过水温调理模块和水位调理模块传输至微处理器控制模块Ⅰ，微处理器控制模块Ⅰ将采集的水温和水位信息传输给液晶显示触摸模块Ⅰ显示水温和水位的实时信息，同时通过Zigbee通信模块Ⅰ传输至卫浴间外控制通信模块，微处理器控制模块Ⅰ还接收卫浴间外控制通信模块通过Zigbee通信模块Ⅰ传输的浴缸水温和水位的设置信息，并将信息传输给液晶显示触摸模块Ⅰ显示水温和水位的设置信息，微处理器控制模块Ⅰ还接收通过液晶显示触摸模块Ⅰ设置的水温和水位的信息，并通过Zigbee通信模块Ⅰ传输至卫浴间外控制通信模块，若微处理器控制模块Ⅰ接收到冷水或热水控制的功能命令，则按照功能命令的要求控制电磁阀驱动模块分别对冷水龙头电磁阀或热水龙头电磁阀实施控制，实现对浴缸水温和水位的自动控制。

微处理器控制模块Ⅰ接收卫浴间外控制通信模块通过Zigbee通信模块Ⅰ传输的报警、询问是否需要帮助的信息，并将信息传输给液晶显示触摸模块Ⅰ显示对应功能命令的文字和点亮对应功能的触控按键发光二极管模块Ⅰ的发光二极管，还将信息转换成语音功能命令传输给语音识别模块Ⅰ转换成语音信息驱动喇叭Ⅰ发出语音功能命令的语音。

微处理器控制模块Ⅰ通过语音功能模块Ⅰ接收麦克风Ⅰ的语音信息，经处理后通过Zigbee通信模块Ⅰ传输至卫浴间外控制通信模块，还接收卫浴间外控制通信模块传输的语音信息，并通过语音功能模块Ⅰ驱动喇叭Ⅰ发出语音，实现封闭的卫浴间内与卫浴间外的对讲功能。

3 卫浴间外控制通信模块的设计

设计的卫浴间外控制通信模块的硬件结构图如图3所示。图3中的卫浴间外控制通信模块电路的主要电路模块功能与卫浴间内控制通信模块的电路基本相同。

微处理器控制模块Ⅱ采用STM32系列微处理器作为卫浴间外控制通信模块的核心，接收卫浴间内控制通信模块通过Zigbee通信模块Ⅱ传输的报警或需要帮助的功能命令，以及接收其它功能模块输入的命令，并对命令进行处理，将处理结果在液晶显示触摸模块Ⅱ显示和点亮对应功能的触控按键发光二极管模块Ⅱ的发光二极管，还将功能命令传输给语音识别模块Ⅱ转换成语音信息驱动喇叭Ⅱ发出功能命令的语音。

图2：卫浴间内控制通信模块

图3：卫浴间外控制通信模块的硬件结构图

微处理器控制模块Ⅱ还接收卫浴间内控制通信模块通过Zigbee通信模块Ⅱ传输的设置浴缸水温和水位的信息，并将信息传输给液晶显示触摸模块Ⅱ显示水温和水位的信息。

微处理器控制模块Ⅱ通过语音功能模块Ⅱ接收麦克风Ⅱ的语音信息，经处理后通过Zigbee通信模块Ⅱ传输至卫浴间内控制通信模块，还接收卫浴间内控制通信模块传输的语音信息，并通过语音功能模块Ⅱ驱动喇叭Ⅱ发出语音，实现封闭的卫浴间内与卫浴间外的对讲功能。

微处理器控制模块Ⅱ通过USART串行通道与ESP8266的WiFi无线通信模块连接，通信模块向智能家庭中央控制器传输功能命令和浴缸水温、水位的信息，还接收智能家庭中央控制器传输的功能命令和设置浴缸水温、水位的信息，并与智能家庭中央控制器相互传输语音信息。

4 针对残疾人的特性化功能设计

本设计针对残疾人的使用进行了特性化设计，对于聋哑人设计了手势识别功能，应用液晶显示器和发光二极管显示其实现的功能，针对盲人设计了语音识别功能。

图4：卫浴间内控制通信模块人机界面及电路位置安装示意图

4.1 手势识别模块区功能设计

手势识别模块区包括报警手势识别区，浴缸水温控制手势识别区和询问帮助手势识别区。

报警手势识别区将识别的手势转换为报警信号并传输至微处理器控制模块进行报警提示，所识别的手势包括一个手指、两个手指、三个手指、四个手指、五个手指和锤头。

浴缸水温控制手势识别区将识别的手势转换为浴缸水温控制功能命令并传输至微处理器控制模块，所识别的手势包括一个手指、两个手指、三个手指和四个手指，所述一个手指表示加热水，两个手指表示加冷水，三个手指表示同时加热水和冷水，四个手指表示关水。

询问帮助手势识别区将识别的手势转换为询问帮助的手势功能命令并传输至微处理器控制模块，所识别的手势包括一个手指、两个手指、三个手指和四个手指，所述一个手指表示送衣裤，两个手指表示送毛巾，三个手指表示送鞋子，四个手指表示已满足需求。

浴缸水温控制手势识别区将识别的手势转换为浴缸水温控制功能命令并传输至微处理器控制模块，所识别的手势包括一个手指、两个手指、三个手指和四个手指，所述一个手指表示加热水，两个手指表示加冷水，三个手指表示同时加热水和冷水，四个手指表示关水。

触控按键发光二极管模块和触控按键发光二极管模块各包括一组多个触控按键发光二极管，每个触控按键发光二极管包括一个触控按键和一个与之对应的发光二极管，触碰一次触控按键，对应的发光二极管亮，表示正在处理所对应的功能，再触碰一次触控按键，发光二极管灭，表示所对应的功能未被执行。

触控按键发光二极管Ⅰ的发光二极管亮表示加热水，触控按键发光二极管Ⅱ的发光二极管亮表示加冷水，触控按键发光二极管Ⅲ的发光二极管亮表示同时加热水和冷水，触控按键发光二极管Ⅳ的发光二极管亮表示关水，触控按键发光二极管Ⅴ的发光二极管亮表示送衣裤，触控按键发光二极管Ⅵ的发光二极管亮表示送毛巾，触控按键发光二极管Ⅶ的发光二极管亮表示送鞋子，触控按键发光二极管Ⅷ的发光二极管亮表示已满足需求，触控按键发光二极管Ⅸ的发光二极管亮表示请进来，触控按键发光二极管Ⅹ的发光二极管亮表示报警。

液晶显示触摸模块Ⅰ和液晶显示触摸模块Ⅱ分别设于液晶显示触摸区Ⅰ和液晶显示触摸区Ⅱ内，均包括液晶显示屏、液晶屏控制器和触摸屏、触摸屏控制器。采用ADS7843芯片作为液晶屏控制器与微处理器控制模块Ⅰ或微处理器控制模块Ⅱ通过FSMC-NOR信号线连接，触摸屏控制器采用XPT2046芯片，与微处理器控制模块Ⅰ或微处理器控制模块Ⅱ通过SPI总线端口连接。

4.2 语音识别功能

语音识别模块Ⅰ所识别的语音内容包括加热水、加冷水、同时加热水和冷水、关水、报警、需要送衣裤、需要送毛巾、需要送鞋子、需要送化妆品、已满足需求等。

所述语音识别模块Ⅱ所识别的语音内容包括加热水、加冷水、同时加热水和冷水、关水、报警、需要送衣裤、需要送毛巾、需要送鞋子、需要送化妆品和需要帮助吗等。

语音识别模块Ⅰ和语音识别模块Ⅱ均采用LD3320 语音识别芯片，分别与微处理器控制模块Ⅰ和微处理器控制模块Ⅱ通过SPI总线端口连接。

语音功能模块Ⅰ和语音功能模块Ⅱ均采用FM34NE500B语音滤波、放大模块，分别与微处理器控制模块Ⅰ和微处理器控制模块Ⅱ通过IIS通道连接。

5 电路系统安装设计

通常家用浴缸安装在卫浴间，一般家用浴缸两边靠墙，卫浴间内控制通信模块人机界面及电路位置安装示意图如图4所示。手势识别模块Ⅰ的报警手势识别区Ⅰ设于询问帮助手势识别区左边，浴缸水温控制手势识别区Ⅰ设于询问帮助手势识别区下方，触控按键发光二极管模块Ⅰ的10个触控按键发光二极管设于浴缸水温控制手势识别区Ⅰ四周，液晶显示触摸区Ⅰ设于询问帮助手势识别区和浴缸水温控制手势识别区Ⅰ的右边，喇叭Ⅰ和麦克风Ⅰ设于报警手势识别区Ⅰ下方。

卫浴间外控制通信模块安装于卫浴间外的墙上或靠近卧室门外的墙上，其卫浴间外控制通信模块的人机界面的安排与卫浴间内控制通信模块人机界面采用类似的设计方法。

变压装置模块安装于卫浴间外的墙上或靠近卧室门外的墙上，并位于卫浴间外控制通信模块的上方。

6 小结

本设计对于已有的家用浴缸只需要增加配套的物联网智能控制装置，以及控制冷热水的电磁阀，即可将家用浴缸实现智能化的改造，而且针对残疾人进行了特性化功能设计，具备多种功能，可通过手势、触控按键、语音等方式控制浴缸的水温和水位，还能实现卫浴间内与卫浴间外、卫浴间内与手机等的沟通交流，使人们使用浴缸更安全、方便。