智能坐便器無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

葉益陽 翁曉偉 陶嘉威

(臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院 浙江 臺州 318000)

前言

隨著社會生活水平的不斷提高，智能坐便器的使用也越來越普及，智能坐便器產(chǎn)業(yè)已進入高速發(fā)展期[1]，但對標國際先進，我國智能坐便器產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨著關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品質(zhì)量提升等方面的迫切需求。

通過對大量企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的智能坐便器主要存在以下2種情況：

(1)市面上所有的智能坐便器無運行狀態(tài)反饋系統(tǒng)，均缺少獨立的運行監(jiān)測系統(tǒng)，不能實時地讀取當前數(shù)據(jù)并記錄歷史數(shù)據(jù)。

(2)一小部分的智能坐便器具有初步的運行監(jiān)測功能，如個別產(chǎn)品具備部分溫度信息的實時存儲功能，但由于電路內(nèi)部的控制芯片容量有限，存儲只限于短時間內(nèi)的少量數(shù)據(jù)。

研究智能坐便器無線監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測智能坐便器內(nèi)部各個關(guān)鍵零部件和重點指標的運行信息，還能查看運行歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而記錄異常信息，發(fā)現(xiàn)運行的效率、穩(wěn)定性和準確性，并依此對產(chǎn)品性能進一步優(yōu)化，此舉必將極大提升消費者對智能坐便器產(chǎn)品的信賴度和滿意度，提升產(chǎn)品的質(zhì)量安全，保障消費者人身安全，拓展產(chǎn)品市場，加快智能坐便器產(chǎn)業(yè)向千億級邁進。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能坐便器無線監(jiān)測系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感采集模塊、微控制器模塊、無線通信模塊、上位機軟件組成。其中，傳感采集模塊主要由各類傳感器實現(xiàn)對智能坐便器內(nèi)部各類參數(shù)指標的采集，并傳輸至微控制器；微控制器模塊作為傳輸與控制中樞，負責傳感器數(shù)據(jù)的打包與上傳、上位機指令的解析與控制；無線通信模塊負責上下位機數(shù)據(jù)的收發(fā)；上位機軟件系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的顯示與存儲，并個性化控制智能坐便器的工作。

圖1 無線監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖

1.1 傳感采集模塊

針對智能坐便器的風溫、水溫、座溫、流量這4個方面的運行監(jiān)測，以智能坐便器的進水溫度傳感器、出水溫度傳感器、座溫傳感器、風溫傳感器、流量計這5路傳感器為研究對象，理解不同傳感器的靜態(tài)與動態(tài)技術(shù)指標的具體含義及其影響，確認傳感器信息采集與處理的原理和精度[2]，分析不同傳感器的輸出信號機制以及不同的識別與處理方式，解析出各自的被測信息，通過數(shù)據(jù)線傳輸至微控制器進行下一步處理。

1.2 微控制器模塊

微控制器作為通信與控制的樞紐，承擔著往來數(shù)據(jù)的處理工作。以微控制器的發(fā)送功能為研究對象，微控制器負責采集各種傳感器狀態(tài)信息，并將采集到的信號打包成專門的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給無線通信模塊，再傳輸?shù)缴衔粰C軟件進行處理。以智能坐便器微控制器的接收功能為研究對象，微控制器接收來自上位機軟件傳輸?shù)綗o線通信模塊的數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀按照編碼規(guī)則進行解析，并按照解析出來的指令控制相應(yīng)的硬件電路運行。

1.3 無線通信模塊

采用適當?shù)臒o線通信協(xié)議以組建高通信效率的局域通信網(wǎng)絡(luò)，研究基于協(xié)議的無線傳輸實現(xiàn)形式，以智能坐便器數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點為研究對象，建立一套新型的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓撲，如圖2所示。通過相互協(xié)作，將數(shù)據(jù)進行實時傳輸，實現(xiàn)運行監(jiān)測；研究上下位機無線通信協(xié)議，制定完整的通信協(xié)議[3]，采用幀格式的方式傳遞數(shù)據(jù)。這種方式可以有效地降低系統(tǒng)功耗，在數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤后，只能將有限的數(shù)據(jù)進行重發(fā)，通信協(xié)議應(yīng)包括：下行的控制命令協(xié)議和上行的傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)幀協(xié)議。其中下行的控制命令協(xié)議應(yīng)包含各種加熱啟停、加熱時間、加熱頻次等數(shù)據(jù)；上行的傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)幀協(xié)議應(yīng)包含進水溫度、出水溫度、風溫、座溫、流量、異常反饋信號等數(shù)據(jù)；上下行協(xié)議都應(yīng)分別配置相應(yīng)的幀頭幀尾與校驗碼，從而保證上下位機通信的銜接與順暢[4]。

圖2 無線通信網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

1.4 上位機軟件

研究上位機軟件系統(tǒng)的功能設(shè)計、界面設(shè)計，將軟件劃分為若干個不同模塊，采用模塊化的編程思想[4]，主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、警告保護模塊、運行控制模塊等組成，每個模塊完成一個特定的功能，使軟件結(jié)構(gòu)更為清晰；研究上位機軟件的數(shù)據(jù)存儲功能，接收下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包，如果是合法的數(shù)據(jù)就存入數(shù)據(jù)庫，如果是非法的數(shù)據(jù)就拋棄。研究上位機軟件的顯示功能，主要負責對接收的下位機數(shù)據(jù)的實時顯示，如各種傳感器實時狀態(tài)的顯示、設(shè)備異常狀態(tài)的顯示、歷史狀態(tài)曲線的顯示等；研究上位機軟件的報警功能，可設(shè)置報警閾值，當采集的傳感器數(shù)據(jù)超過報警閾值時，上位機發(fā)出報警信號，并把報警信息進行存儲，同時借助無線通信模塊下達指令關(guān)斷設(shè)備；研究上位機軟件系統(tǒng)的控制功能，替代并強化遙控器功能，實現(xiàn)對智能坐便器的個性化遠程控制，設(shè)計各類控制按鍵，可個性化設(shè)置烘干、臀洗、婦洗等功能的啟停、頻次和持續(xù)時間，從而無需反復(fù)按壓遙控器，即可一次性開啟各種精細化的測試動作，完成智能坐便器運行的耐久老化等試驗。

2 創(chuàng)新之處

本系統(tǒng)滿足了智能坐便器生產(chǎn)領(lǐng)域的運行監(jiān)測需求，緩解了由于長期監(jiān)測缺失造成的安全隱患及產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，主要有以下幾個創(chuàng)新點：

(1)數(shù)據(jù)存儲的創(chuàng)新，針對大部分傳感器數(shù)據(jù)的即時丟棄與微控制器存儲容量的限制，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至上位機軟件系統(tǒng)，從而獲取實時的監(jiān)測參數(shù)，同時記錄系統(tǒng)運行軌跡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的長期性。

(2)無線通信的創(chuàng)新，針對現(xiàn)有遙控器單向控制傳輸?shù)木窒扌裕捎秒p向無線通信方式，以智能坐便器和上位機軟件為2個通信終端，將上行的傳感器狀態(tài)與下行的控制命令，都封裝成特定的數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)了順暢的傳輸與解析，從而保證了通信的高效性和保密性。

(3)優(yōu)化控制的創(chuàng)新，針對目前智能坐便器遙控器固定的單一化控制的欠缺，通過上位機軟件的多功能配置，增強了操控的精細化設(shè)置，從而避免了傳統(tǒng)的遙控器反復(fù)按壓，實現(xiàn)了個性化的自動檢測，具有較高的實用性和科學性。

3 展望

本系統(tǒng)基于無線通信技術(shù)，完成了對智能坐便器的個性化監(jiān)測，可大幅減少企業(yè)對于檢測設(shè)備的投入。實現(xiàn)自主的、長期的測試，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，大大增強企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制，提升產(chǎn)品的質(zhì)量水平，保護消費者的人身安全，降低智能坐便器的返修率，進一步拓展智能坐便器市場。