一種盲人患者無障礙飲水機設計

魏國軍

（惠州城市職業學院機電學院，廣東惠州 516025）

0 引言

飲水是人們日常生活中一項必要的生理需求，現社會較多企業、家庭通過飲水機供應飲用水。對于身心正常的健康人士，使用市政飲水機可完成接水、飲水。但盲人患者在使用日常市政飲水機時，則會出現找不準甚至找不到接水口，不能有效控制接水量，甚至在接水時出現熱水溢出被燙傷的現象，久之使得盲人患者對使用飲水機產生恐懼，導致不敢獨立使用飲水機，增加患者家庭護理工作量。

目前市場上仍然有許多產品無法通過良好的人機界面來引導、幫助盲人患者適應日新月異的產品更迭，迫使盲人患者犧牲自己的使用體驗去迎合那些不符合他們使用習慣的產品,使他們無法享受現代社會帶來的便捷生活[1]。

隨著社會對盲人患者的關注不斷提升，各種有助于盲人患者的無障礙設備應運而生，如有助于盲人出行、閱讀、休閑、導識等的設計應用已普遍。但研究盲人飲水機的案例及發明較少，本文針對盲人患者的飲水問題而設計了一款盲人患者無障礙飲水機，通過設置紅外檢測感應裝置[2]，實現熱、溫、冷水的語音提示、延時出水、精準控制接水量等功能，能有效降低盲人患者使用飲水機接水、飲水產生的心理恐懼及飲水機的操作難度，減少盲人患者家庭護理人員，減輕家庭護理人員勞動量。同時讓盲人患者享受到高科技帶來的生活便利，鍛煉了對生活的適應性，為今后勇敢面對生活樹立了信心及勇氣。

1 方案設計

盲人患者無障礙飲水機機身采用市面上通用的飲水機本體，設置有熱、溫、冷3個出水口，在出水口上方設置紅外檢測傳感器、語音提示系統，并設置與飲水機配套使用的金屬水杯、杯托。盲人患者無障礙飲水機在盲人患者接用飲用水時，通過紅外檢測傳感器檢測水杯放置位置，語音提示告知患者接用的是熱、溫、冷水，并通過延時電路延時5 s后，出水口出水。水杯及杯托壓簧受重力接觸，接通電路發出蜂鳴聲，提示“水杯承接水量已適中，取走水杯”。當紅外檢測傳感器檢測下方水杯移開時，飲水機出水口停止出水，避免在接用熱水時溢出而導致盲人患者被燙傷的情況。此時盲人患者如因故未能取走水杯，壓簧、報警器、無線信號反饋器電路接通，由無線信號反饋器將信號反饋至主電路，控制切斷電路停止出水，直至60 s后恢復電路。

2 機構設計

2.1 紅外檢測傳感裝置

目前市面上銷售的各種飲水機，身心健康者在使用時可以通過人為觀察，并通過打開控制閥門完成取水。而盲人患者在使用該飲水機時會出現如下幾種狀況：（1）不能精準地找到控制閥門開關；（2）水杯位置放置不對；（3）不能精準地控制出水量，導致水裝不滿或者溢出現象，甚至出現燙傷的情況。

本文對通用飲水機機身進行可靠性研究及分析，從保證盲人患者在使用飲水機時，能準確地判斷出水口的位置以及流出的是熱、溫、冷水，并提示水杯中飲用水量適中等方面著手進行設計。通過在出水口上方設置紅外檢測傳感器，感應下方有水杯，將信號反饋至處理器，同時延時電路延時控制5 s后，水杯對應的出水口閥門開啟，飲用水流出。當盲人患者確認飲用水已裝滿并取走水杯時，紅外檢測裝置檢測到水杯移開的同時斷開電路關閉閥門，出水口立即停止出水，如圖1所示。

圖1 紅外檢測裝置檢測示意圖

2.2 語音系統

加拿大科學家的一項最新研究顯示，先天性盲人或幼年失明者的腦部視覺區域能夠發生某些微妙地“重組”，并因此而具有超常的辨別聲音的能力[3]。

盲人患者無障礙飲水機上設置語音提示系統，如圖2 所示，通過紅外檢測感應裝置檢測出水口水杯的位置并將信號反饋至處理器，觸發語音系統，根據水杯放置熱、溫、冷出水口下方提示“熱水”、“溫水”、“冷水”語音信息，滿足盲人患者對熱水、溫水、冷水的需求，從而實現良好的人機交互，進一步體現對盲人患者的人文關懷。

圖2 語音系統示意圖

2.3 水杯和杯托

水杯是一種具有水量監測功能的新型水杯，包含水杯本體和杯托兩部分[4]，水杯及杯托底部各設計有一片受重力可接觸的壓簧。當水杯中水量達到設定值時，水杯壓簧受重力與杯托壓簧呈接觸狀態，并與電源、蜂鳴器、無線信號反饋裝置串聯成接通的電路，觸發蜂鳴器發生報警聲音，以提示盲人患者取走水杯。當紅外檢測傳感裝置檢測到水杯被移走且下方無物體時，將信號反饋至處理器，切斷電路，停止供水。如盲人患者因故未取走水杯時，無線信號反饋裝置將信號反饋至主電路處理器[5]，切斷供水電路停止供水60 s 后恢復。該水杯的工作原理如圖3所示。

當水杯里沒有水或水的重量沒有達到要求時，壓簧脫離接觸，未接通觸發電路，蜂鳴器不觸發提示“飲用水已滿”的報警音，如圖4所示。

圖3 水杯工作原理圖

圖4 杯托設計原理圖

圖5 杯子水滿示意圖

當水杯里水的重量達到設定要求時，水杯底壓簧受重力下移與杯托壓簧接觸，接通電路并觸發蜂鳴聲音，提示“水杯水量已達到要求”。此時飲水者將水杯移開，出水口上方紅外感應器工作，自動切斷供水。如盲人患者因故未能取走水杯，為防止溢出，無線反饋裝置將信號傳至主電路處理器，控制切斷電路停止供水，60 s后恢復電路，如圖5所示。

3 控制系統設計

3.1 控制板硬件

控制板主要由主芯片STM32F030K6T6[6]、 紅 外檢測電路、壓簧信號檢測電路、語音提示模塊、藍牙無線模塊組成，控制板硬件設計框圖如圖6所示。

STM32F030K6T 是基于STMicroelectronics ARM Cortex-M0的STM32F0 系列微控制器，其包括入門級ARM Cortex?M0 32 位RISC 內核。STM32F030 超值型提供高速嵌入式存儲器，具有各種增強型外設和I/O。有如I2C、SPI和USART等通信接口，以及12位ADC、16位計時器和1個高級控制PWM計時器。

紅外檢測電路為開關量輸入信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離電路，并在光耦輸出端設計成低電平有效，進入主芯片輸入引腳，并設計成低電平有效，當該信號為低電平時，提示水杯已放置到飲機上[7]。

壓簧信號為開關量輸入信號，為了提高抗干擾能力，采用光耦隔離電路，并在光耦輸出端設計成低電平有效，進入主芯片輸入引腳，該信號為低電平時，提示“水杯水已滿”。

語音提示電路采用普通輸出口控制，并在語音模塊內部設定好，IO口置低后播報相應的語音，達到提醒的功能[8]。

藍牙模塊通過UART 接口與STM32F030 進行通訊，將水杯水滿信號發送至飲水機，控制水閥的通斷。

圖6 控制板硬件設計框圖

3.2 軟件設計

軟件設計主要包括壓簧信號檢測模塊、語音提示控制模塊、藍牙通訊模塊、邏輯控制模塊組成。軟件流程圖如圖7所示。系統上電后，進行初始化設置，然后進行紅外信號檢測，當該信號有效時，表示水杯已放置到飲水機，此時立刻通過藍牙模塊發送打開水閥命令，并開始等待杯子水滿。當水杯水滿后，通過藍牙發送關閉水閥命令，停止加水，同時控制語音播報，提示相應的語音提示。

圖7 程序流程圖

4 結束語

本文設計的盲人患者無障礙飲水機利用簡單的檢測感應電路，觸發語音系統提示接用的飲用水為何種類型，以滿足不同時刻對熱、溫、冷水的需求。同時通過水杯及杯托實現對水量的控制，消除了盲人患者使用飲水機接水時擔心出現因找不到出水口、無法確定冷、熱水、水量多少或者溢出的恐懼心理，降低了盲人患者獨自使用飲水機的難度，減輕了家庭護理人員的勞動量。