基于Arduino平臺的衛生間智能控制系統設計

岳秀明

摘 要：本系統突出衛生間的人性化智能控制，其具有可靠、穩定、無操作的特點。系統采用ATmega328P單片機為核心的Arduino UNO R3開發板作為實現平臺，通過傳感器采集空氣質量數據、人員進出數量、如廁時間的數據。可以方便快捷的進行衛生間排氣通風、照明控制、沖水控制。設計節省了平均使用時間，減少資源浪費，能夠有效的實現節約能源的目的。

關鍵詞：智能控制;排氣通風;照明控制;沖水控制

1 緒論

在日常生活中，衛生間是常用場所，尤其是公共衛生間，更是解決了人們日常出行中難免要遭遇的尷尬之急，但是公共衛生間卻存在著許多衛生問題。以校園衛生間為例，大部分都存在著大小便不沖、味道難聞、排氣不通、照明設施故障等諸多問題。

隨著智能化技術的快速發展，智能控制在衛生間應用也發揮作用，對于衛生間照明用電，沖水實現了精確控制，實現了節約用水用電。本衛生間智能控制系統設計目標是能實現大幅度的減少燈具的使用時間和能源消耗，相對于普通的照明系統，至少可以節約20%～25%的資源需求，減少家庭和學校、醫院、公共衛生間等大型場合的電費支出。同時，排氣系統能達到保證空氣暢通，衛生間無異味，減少衛生間細菌傳染，滿足人們對于衛生間里干凈、清潔要求，同時提高公共衛生間的管理維護效率的要求。

2 智能控制系統的總體設計思路

2.1 ?衛生間控制系統現狀

目前國內外衛生間照明控制的基本方式有區域控制、網絡控制、點控制、節能控制等。如在學校教學樓的公共廁所使用時間基本是白天，照明是手動點控制開關，沖水為手壓式壓力沖水閥，沒有排氣扇。而宿舍衛生間使用時間為全天，照明是區域控制，由宿管電箱控制，沖水為手壓式壓力沖水閥，沒有安裝排氣扇。

通過研究照明、排氣、沖水等存在問題，得出需要解決的幾個關鍵問題主要包括傳感器采集數據參數干擾問題、數據傳輸問題、如何實現弱電路對強電路的進行控制的問題、照明燈具的開關兼容手動自動措施、如何實現智能化，解決以上關鍵問題是本系統設計的主要目標。

2.2 ?衛生間智能控制系統的基本結構

該智能控制系統主要組成部分有輸入單元、系統單元[2]和輸出單元。輸入單元即是傳感器對數據進行采集，然后轉換為電信號進行傳輸。系統單元是單片機處理輸入單元的信號，經過處理得到的反饋。輸出單元是接收系統單元的處理指令，然后作出相應的控制。

通常情況下，高校衛生間控制系統主要是保障人走燈滅通風，如果有人進入衛生間，通過門時會觸感傳感器，微處理器根據信號的不同，可以判斷是有人進去還是有人出來，統計進出的人數差，判斷這個值是否等于0來打開或者是關閉照明。超聲波傳感器監測人如廁時間，通過時間來確定沖水閥打開時間，從而達到節約用水的目的。氨氣傳感器和煙霧傳感器用來監測衛生間空氣問題，當氨氣濃度大于預設值時，打開排氣扇;當煙霧濃度達到預設值時，打開排氣扇;根據兩個信號時或的關系，當有一個滿足條件時，就打開排氣扇，進行衛生間通風。

2.3 ?實現智能化的途徑和解決方案

在衛生間智能控制系統設計中，主要考慮到了節能環保、方便快捷兩方面因素，對衛生間照明排氣沖水進行系統性的改造，做到系統能高效利用能源，最低限度的能源實現衛生間照明，空氣暢通以及節約用水。在保證照明質量的同時，有效的避免能源的浪費。

衛生間智能控制系統主要由中央控制單元、門口數量檢測單元[3]、空氣監測單元、燈光控制單元、排氣通風控制單元、智能沖水閥這幾部分組成。

在本系統中，每個單獨的衛生間都會有一個中央處理器[4]，采用的是國產的Arduino UNO R3，低功耗高性能以ATmega328為核心的單片機，主要組成部分有復位按鈕、外接電源孔、自動保險絲，其中傳感器[5]將數據輸入單片機，單片機將數據采集起來并且存儲，通過內置時鐘和燒寫的程序進行處理，然后將處理結果發送到繼電器實現低電壓控制市電的操作。

3 系統調試及問題分析

3.1 ?系統調試

靜態調試：對于硬件電路進行檢測，檢測是否有未連接的部分，焊口是否牢固等。同時用萬用表進行電路檢查，開路、短路的地方是否滿足要求，電源地線是否達到要求等。繼電器是否符合相關工藝規范。

軟件調試：Arduino的語言是建立在C/C++基礎上的，其實也就是基礎的C語言。

用C語言進行衛生間智能控制系統的開發，當軟件編寫完成之后，在Virtual Breadboard軟件當中進行系統運行，實現軟件的程序檢查調試。通過Virtual Breadboard軟件進行具體的調試。

動態調試：當軟件調試完成之后，把程序燒寫在單片機上，然后進行實際調試。通過實際檢查，發現一些邏輯過程當中的問題。

3.2 ?出現的問題及分析解決

問題1：在環境光滿足衛生間自用時，系統仍在工作。

分析解決：在戶外設置幾個光照強度傳感器，通過參考室內戶外光差設置補償參數，根據室內光照不滿足使用時的參數作為對照量，當環境光不滿足衛生間自用時，進行工作。

問題2：門口的計數裝置是由2個光點傳感器組合實現的方向判斷，當門口有同時進出的2個人，可能會出現邏輯判斷錯誤，將本來一個一進一出判斷為兩出或者兩進。

分析解決：問題待定，暫時只有增加其他傳感器進行判別。

問題3：熱釋電傳感器會在人不動的時候檢測不到。

分析解決：熱釋電傳感器就和青蛙眼一樣，只能識別活動的物體，當人有很小的一段時間動作低于熱釋電檢測的距離時，傳感器便會返回一個無人的參數，不是很準確，已經更換為超聲波傳感器。

4 總結

該系統突出人性化的智能控制，具有可靠、穩定、無操作的特點。以ATMEGA328單片機為核心的Arduino UNO R3開發板作為開發平臺，實時監測光電紅外信號、時鐘信號、煙霧傳感器信號、氨氣傳感器信號以及熱釋電紅外信號，智能控制衛生間設備，合理有效解決各類大、中專院校的衛生間光照、沖水和異味問題，具有重要的使用價值和現實意義。

參考文獻

[1]王嘉.基于用戶行為的智能衛浴產品設計研究[D].大連：大連理工大學，2016.

[2]王少軍.智能控制及其在機電一體化系統中的應用[J].綠色環保建材，2018（06）：224.

[3]賈興丹，萬秋華，于海.光電編碼器測速方法現狀與展望[J].儀表技術與傳感

（作者單位：山東協和學院）