基于STM32的智能坐便器激光投影控制器設計*

徐 金 王學成 董 英 董長江 董朝順

(1 唐山惠米智能家居科技有限公司 河北 唐山 063307)(2 惠達衛浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

前言

隨著智能家居行業的發展和衛浴智能化需求的變革，各類智能化資源的投入，給智能坐便器行業發展提供了強大的推力。

智能坐便器也稱為“電子坐便器”或“智能馬桶”,由美國人于1964年發明,20世紀80、90年代在日本開始普及，90年代初智能坐便器引入中國。2015年后智能坐便器行業進入高速發展時期，智能化的功能控制及人機交互多重方案設計也逐步被移植到智能坐便器上。

傳統的智能坐便器，大多采用機身控制器(如側按鍵、旋鈕等)和無線控制器(如遙控器、手機APP等)來實現智能坐便器的功能控制和檔位調節，也有一部分搭載了新型的語音識別及手勢控制等方式來控制。因衛生間具有潮濕、通風不良、光照不足等環境特點，控制器上不可避免會有殘留的污物、細菌，使用者在使用控制器時，污物和細菌會接觸使用者的手部，不僅不衛生，且有細菌感染的風險。

筆者簡要介紹了一種新型控制器的設計方案，將激光投影技術和圖像采集編譯處理技術進行移植及整合，結合衛生間濕度高、光線不足等特點，設計出一種通過雙腳控制智能坐便器可視化控制系統，有效解決了使用者在使用智能坐便器時雙手沾染污物和細菌的問題。

2 激光投影控制器的技術方案

本設計方案硬件部分由激光投影成像系統、激光定位系統、圖像采集系統和圖像處理系統四部分組成。

圖1 設計方案部件安裝位置示意圖

激光投影成像系統安裝于智能坐便器陶瓷前端外壁，與水平線形成固定的夾角(具體需根據陶瓷弧度來確定安裝角度，以影像能在著座時使用者的雙腳之間為佳，筆者試驗與水平線的夾角約為28°)。激光投影成像系統采用的低功率的激光發射源(同激光筆的配置，筆者試驗采用的波長650 nm激光源)，通過智能坐便器主控板內的微控制器，可增加和減少發射功率，進而調節激光源亮度，激光透過刻有功能控制圖標的光柵，將功能控制圖標的影像透射到使用者著座后的雙腳之間的地面空白區域(根據實際使用情況，設定著座使用時雙腳間間距為400 mm)。

圖2 影像位置與雙腳關系示意圖

激光定位系統采用一字線激光發射器(筆者試驗采用的激光波長為808 nm，有效發射距離為1 m)，采用鋁制外殼增加散熱及后部封膠做好防水，可根據實際情況，適時調整輸出功率(筆者的試驗功率約為50 mW)，激光發射器發出平行于投影平面的激光束，當人體腳后跟落在對應的功能按鍵位置時，則會阻礙激光的傳輸，并在腳跟的遮擋區域形成激光反射。由于激光源發出的波長超出可見光的波長范圍，使用者肉眼不可見，不會造成光污染，而在圖像采集時，遮擋位置形成反射激光束會形成月牙形狀的白色光斑，圖像分析時則作為特征點被收集及分析。

圖像采集系統作為激光控制器的信息收集系統。圖像采集系統需要在衛生間內復雜的光線及濕度環境下，實現投影圖像信息的精確采集，方案采用廣角鏡頭搭配低照度的圖像傳感器來實現，鏡頭需采用定焦廣角鏡頭，且具有良好的防水效果(筆者試驗采用的為舜宇4 mm廣角定焦鏡頭,如原廠鏡頭帶有偏光片，需取下后試驗)，圖像傳感器應具有高靈敏度及適應低照度的特點(筆者試驗用的圖像傳感器為鎂光AR0230)。默認輸出的圖像格式為640*480 30FPS，以保證能夠充分辨識特征點的前提下，不會額外增加數據的處理量。將組裝好的圖像采集模塊，根據上述的安裝位置，調整好焦距并固定。

圖像處理系統是激光控制器的核心，工作任務為將圖像采集系統收集的圖像信息，進行數據處理及辨識，后發送對應功能的指令給到智能坐便器的相應功能部件以實現對應的功能。圖像處理系統采用Cortex-M3以上為內核的微控制器(筆者試驗采用意法單片機STM32F103ZET6)，能夠同時滿足圖像數據處理的需求和智能坐便器的功能部件的配置需求。

圖3 激光投影控制器功能使用示意圖

3 激光投影控制器的工作原理及邏輯

智能坐便器開啟電源后，主控板微控制器進行系統初始化，完成各項微控制器配置，其中包含激光投影控制器初始化及其他功能參數的初始化。

激光投影控制器的初始化步驟如下：

(1)圖像采集系統和圖像處理系統配置原始參數，包括但不限于算法、通信協議、圖像格式、圖像幀數、閾值。

(2)激光投影系統啟動，圖像采集系統采集原始圖像，并將圖像數據發往圖像處理系統，微控制器將圖像數據進行二值化處理，后將有效的單點像素邊緣像素點進行八位關聯，去除無效的噪聲，進而構建出每個功能投影的區域范圍，如下圖所示。

圖4 圖像處理坐標點的示意圖

(3)如未確定有效的區域范圍，微控制器調整激光投影系統的發射功率，調節圖像投影的亮度，優化圖像采集效果。

(4)確定區域范圍成功后，微控制器根據既定算法，在采集的圖像數據中建立坐標系，其中圖示原點位置為其中一個功能投影的邊界點，因為此點趨向于圖像中心，而廣角鏡頭的圖像采集時非中心位置會出現畸變，故以此位置為坐標原點(x0，y0)，保證原點位置的精度。

(5)取左上方的控制區域為例，將矩形區域的對角點作為邊緣臨界點，經過數據處理后，在坐標系內生成邊界坐標點(x1，y1)和(x2,y2)，以此類推，將其他有效的投影影響邊界進行數據處理，取每個功能功能投影邊緣區域的左上、右下作為臨界點，設定為邊界坐標點，并作為對應功能的區域臨界坐標點數據存儲到微控制器或外掛FLASH。

(6)激光投影控制器關閉，初始化完成。

如因特殊情況出現無法確定功能按鍵閾值的情況(如鏡頭前方出現遮擋或定位失效等情況)，曾初始化失敗，微控制控制板載蜂鳴器提示報警音，提示使用者激光投影控制器初始化失敗。

所有配置初始化完成后，可供使用者使用，當使用者坐在智能坐便器座圈上，此時位于座圈內部的靜電傳感器監測到人體信號連續10 s后，智能坐便器進入入座使用狀態，此時開啟激光投影控制器，當使用者需要使用功能時，將腳移動到對應的區域內，從而遮擋定位激光形成的月牙形光斑，圖像采集系統將圖像信息傳送至圖像處理系統，圖像處理系統根據算法確定月牙區光斑的中心(月牙區域光斑中心，不做為特定形狀約束，根據各位置的落點情況，通過算法實時調整)，當其中心位于對應功能按鍵區域內，且有70%以上光斑落入到此功能區域內，則視為使用功能，微控制器收到指令后，則蜂鳴器發出一聲聲響，提示已經正確接收指令并執行；如月牙光斑中心落入，但落入此區域的光斑范圍未超過70%，則視為誤觸；光斑中心未在制定區域內，則視為未使用控制器的功能。

圖5 圖像處理光斑落入時的示意圖

關于月牙形光斑的區域中心的確定，筆者采用如下的方法，此方法相對簡單，經試驗也可基本滿足要求。

圖像光斑區域經圖像處理系統處理后，確認四個臨界點的對應坐標，分別為左臨界點(xL,yL)、右臨界點(xR,yR)、上臨界點(xT,yT)、下臨界點(xB,yB)。設月牙形光斑左右對稱，則月牙形光斑中心坐標(xC，yC)坐標為：

xC=(xR-xL)/2;

yC=(yT-yB)/2；

當且僅當xC≤90 mm(鞋后跟寬度邊界范圍)時，方案成立，如不滿足，則無有效數據返回。

當x1≤xC≤x2且y1≤yC≤y2時，視為月牙光斑中心坐標位于投影有效控制區域內，此時可進行下部運算。

分別去外圓弧特征點、內圓弧特征點和左右臨界點為三點，做出外接圓，并確認圖示中左右鄰接點與圓弧相關形成的陰影區域的面積，計算差值，并計算與投影有效區域的面積占比。

圖6 光斑落入占比算法示意圖

當落入面積占月牙形面積比例超過70%的情況下，視為控制有效；當占比不足70%時，則視為控制無效，不觸發微控制器進行動作指令輸出。

當圖像信息處理完成并正確執行指令后，激光投影控制器重新恢復到待啟用狀態，等待下一個用戶指令的輸入。

當使用者用完離開智能坐便器后，靜電傳感器監測到人體離開，此時整機進入到待機模式，關閉激光投影控制器，啟動離座沖水，沖水完成后，整機重新進入待使用模式。

圖7 激光投影控制器的工作邏輯

4 結語

基于激光成像及圖像采集和處理的相關技術，在STM32微控制器的平臺上進行的功能方案設計與實現，從原理上闡述了圖像采集和處理、工作邏輯及實現，能夠實現在智能坐便器的使用當中，使用腳部控制智能坐便器，避免了雙手接觸控制器，使得使用者在使用過程中更加衛生、便捷。