基于毫米波雷達的智能馬桶非接觸式控制系統設計

摘要：文章設計了一種基于毫米波雷達的智能馬桶非接觸式控制系統。該系統利用毫米波雷達感知技術實現人體接近檢測、手勢識別和環境光照檢測，實現了馬桶的自動開蓋/關蓋、臀部清洗、坐墊加熱和小夜燈照明等功能。實驗結果表明，該系統能夠有效識別用戶指令，實現非接觸式控制，提高用戶體驗。系統自動開蓋/關蓋成功率達到97%以上，手勢識別準確率達到100%，溫度控制精度在±1℃以內。

關鍵詞：毫米波雷達；非接觸式控制；人機交互；智能家居；衛生潔具

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0103-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著智能家居技術的快速發展，越來越多的智能設備融入人們的日常生活，提高了生活品質[1]。馬桶作為家居生活的重要組成部分，其智能化升級已成為必然趨勢。本文旨在設計一種基于毫米波雷達的智能馬桶控制系統，實現非接觸式操作，提高衛生性和用戶體驗，并探討毫米波雷達技術在智能家居領域的應用前景。

毫米波雷達是一種通過發射毫米波和接收物體反射回來的毫米波的方法實現對物體的探測和對目標識別的無線感應技術[2]。本文通過分析手勢動作的回波信號特征實現智能馬桶的手勢控制功能。為了更好地理解智能馬桶的發展趨勢，下文將首先介紹智能馬桶的發展現狀。

1 智能馬桶發展現狀

目前智能馬桶主要的控制方式有控制面板、遙控器、語音等方式。控制面板穩定可靠，但是需要接觸馬桶，容易引發衛生問題。遙控器使用起來相對方便，但是需要定期更換電池，而且遙控器體積小容易丟失。語音控制方式智能化程度相對較高，但是語音識別準確率較低。毫米波雷達作為一種無線感知技術，能夠感知人體距離及手勢動作，受外界環境影響較小，特別適合智能馬桶的控制應用。中國智能馬桶市場規模龐大且呈增長態勢，已接近400億元，2023年智能馬桶產量同比增長8.2%，達到1265萬臺，占全球總產量的69%。在未來智能馬桶將與其他智能設備互聯互通，為用戶提供更加智能化、便捷化的使用感受。接下來對毫米波雷達距離探測方法及智能馬桶的具體功能進行介紹。

2 毫米波雷達距離探測方法

毫米波雷達通過發射單元把無線信號發射到空中，發射信號碰到目標物體反射后被毫米波雷達接收單元接收[3]。毫米波雷達對接收到的信號進行混頻得到中頻信號，系統通過分析該中頻信號得到目標物體的距離[4]。計算中用τ表示回波信號的時延，S表示調頻信號的調頻斜率，f0表示中頻信號頻率，最終計算出目標物體的距離d為cf0/2S。

3 智能馬桶整體功能

該項目中主要通過毫米波雷達技術實現對人體及手勢的智能感知。智能馬桶主要包括毫米波雷達模塊、步進電機驅動模塊、臀部清洗控制模塊、夜間照明控制模塊、坐便器坐墊圈溫度控制模塊、馬桶自動沖水模塊、電源模塊幾大部分。

3.1 調頻連續波毫米波雷達智能感應開關馬桶蓋

目前大部分智能馬桶還沒有自動打開與關閉馬桶蓋的功能，該項目中通過毫米波雷達感應人體與馬桶的距離實現馬桶的自動開蓋與關蓋功能。

當人體進入到智能馬桶范圍距離小于20 cm并保持2 s以上時，智能馬桶判定需要打開馬桶蓋。當人體離開馬桶距離超過20 cm并且時間超過5 s以上時，智能馬桶判定需要關閉馬桶蓋。馬桶蓋的開蓋和關蓋動作通過步進電機執行，步進電機由ULN2003芯片驅動。單片機判斷需要打開馬桶蓋時，驅動步進電機逆時針旋轉100度打開馬桶蓋，需要關閉馬桶蓋時單片機驅動步進電機順時針轉動100度關閉馬桶蓋。

3.2 調頻連續波毫米波雷達手勢控制

毫米波雷達的手勢識別主要包括手勢數據采集、手勢運動參數計算、手勢數據處理、構建手勢數據特征圖像、手勢識別分類五大部分。手勢是一個不斷運動的目標，系統要測量手勢的移動速度，需要獲取手勢動作在兩個不同時刻的距離信息。該項目通過計算兩個不同回波信號獲得兩個不同時間點手勢與馬桶的距離，利用兩個距離的差值得到手勢的運動速度。在手勢移動的情況下，毫米波雷達前方不同時刻手勢的回波信號圖如圖1所示。

系統對不同距離處混頻后的中頻信號進行傅里葉變換處理，頻譜上會生成不一樣的峰值，每個峰值代表不同距離處的物體。系統中每個發射的Chirp信號持續時間很短，各個Chirp內不同物體所對應的峰值在每一幀中所處的位置一樣，但是相位不同，因此系統可以利用各峰值在不同Chirp內的相位差得到物體的運動速度[5]。該項目中利用無跡卡爾曼濾波算法對手勢數據進行預測和估計，最后利用卷積神經網絡提取手勢特征，判斷出不同的手勢動作。

該項目通過識別手臂左右擺動的手勢動作判定是否需要開啟臀部清洗功能。馬桶識別到手臂左右擺動的手勢動作后系統開啟臀部沖水的功能，臀部沖水時間默認為10s。系統通過電磁閥控制臀部清洗沖水的開關，臀部清洗電磁閥驅動電路原理圖如圖2所示。電路中單片機控制三極管與場效應管同時導通使電磁閥打開，開始執行沖水功能；單片機控制三極管與場效應管同時截止使電磁閥關閉，停止沖水功能。

3.3 智能馬桶坐便器坐墊圈溫度自動控制

該項目中智能馬桶的坐墊圈中加入加熱線圈，通過程序控制實現坐便器自動加熱，能夠使馬桶坐墊圈溫度維持在25℃。智能馬桶的溫度傳感器實時檢測環境溫度，當環境溫度低于20℃時自動啟動馬桶坐墊圈加熱功能，當環境溫度高于25℃時自動停止馬桶坐墊圈加熱功能。主控單片機通過PWM方式控制加熱線圈進行加熱，使坐便器快速達到目標溫度。該項目中溫度控制采用PID算法，使溫度快速穩定地達到目標溫度并保持，溫度誤差在正負1℃以內。

3.4 智能馬桶小夜燈

該項目中通過光敏傳感器檢測環境光照情況，當毫米波雷達檢測到有人接近而且光線較暗的情況下會自動打開小夜燈進行照明，人離開后自動關閉小夜燈。在白天光照較亮的情況下即使有人接近智能馬桶，系統也不會開啟小夜燈。智能馬桶小夜燈控制電路如圖3所示。

接下來本文對智能馬桶各部分功能進行測試，驗證各項功能的可靠性。

4 智能馬桶系統功能測試

4.1 智能馬桶自動開蓋關蓋測試

智能馬桶通過毫米波雷達檢測人體與馬桶的距離實現智能馬桶的自動開蓋與關蓋動作。毫米波雷達模塊位于智能馬桶正前方，測試中人體分別從智能馬桶左邊、右邊、前方三個方向并且距離3 m處靠近和遠離馬桶進行測試。測試內容主要包括人體靠近智能馬桶進入20 cm距離范圍超過2 s時智能馬桶是否執行開蓋動作以及人體離開智能馬桶20 cm并且超過5 s時是否執行自動關蓋動作。每個方向測試100次，測試數據如表1所示。

由測試數據可以看出，智能馬桶檢測人體執行開蓋關蓋動作時，人從智能馬桶兩側靠近時會有檢測失敗的情況，從智能馬桶前方靠近時能100%檢測到人體并執行開蓋與關蓋動作。該項目對于智能馬桶開蓋檢測失敗的情況還需要進一步的優化改進。測試中對智能馬桶蓋執行開蓋與關蓋動作時間進行測試，開蓋與關蓋動作執行時間為1.5 s。

4.2 智能馬桶沖水功能測試

上完廁所后馬桶需要進行沖水，該智能馬桶的沖水功能是在智能馬桶蓋關閉后自動進行觸發，沖水時間持續5 s。單片機檢測到馬桶蓋關閉完成后打開馬桶沖水電磁閥開關進行沖水。測試中手動打開關閉馬桶蓋100次，沖水成功次數為100次，使用秒表測試每次沖水時間，每次沖水時間都為5 s。

4.3 手勢控制臀部清洗功能測試

測試中人坐在馬桶上，手臂在馬桶前方10 cm處左右擺動，擺動幅度大于30 cm，左右擺動時間在1 s到3 s之間。臀部清洗功能執行過程中智能馬桶對左右擺動手臂的動作不進行識別，每次臀部清洗沖水時間為10 s。測試中對100次左右擺臂動作進行測試，每隔20 s測試一次。測試結果為100次左右擺臂動作都能被正確識別，臀部清洗功能執行100次。

4.4 智能馬桶坐墊圈溫度自動控制測試

測試中對馬桶坐墊圈7個位置進行溫度測試，馬桶坐墊圈左右兩邊各均勻放置3個測試點，正前方放置1個測試點。位置1在馬桶坐墊圈正前方，位置2、位置3、位置4依次放置在坐墊圈左邊，位置5、位置6、位置7依次放置在坐墊圈右邊，7個測試點彼此間隔6 cm。在環境溫度為20℃的情況下進行測試。測試中人為控制溫度傳感器處的溫度使溫度低于20℃，測試馬桶是否可以自動開啟溫度加熱、加熱到目標溫度的時間以及各個測試點的溫度值。測試反復進行50次，加熱開始1 min后對7個位置數據進行記錄，測試數據如表2所示。

測試數據表明，在環境溫度低于20℃時智能馬桶都能夠自動觸發坐墊圈加熱功能，1 min內基本可以達到目標溫度，每個位置的溫度誤差在正負1℃內。

4.5 智能馬桶小夜燈測試

智能馬桶小夜燈通過毫米波雷達感應人體的方式進行自動打開與關閉。在晚上光線較暗的情況下，人體距離智能馬桶小于2 m時小夜燈自動點亮，人體離開智能馬桶距離大于2 m時小夜燈自動關閉。測試分為晚上光線暗的環境和白天光線亮的環境兩種情況進行測試，測試人員遮擋住光敏傳感器模擬夜間光線暗的環境。對以上兩種情況按照要求分別進行100次測試，在白天100次測試中小夜燈沒有被打開；在夜間100次測試中小夜燈執行開關各100次。

測試結果表明，白天光線亮的情況下人體接近智能馬桶小夜燈不會被觸發開啟，夜晚光線暗的情況下小夜燈可以正常觸發打開與關閉。

5 結束語

綜上所述，本文通過毫米波雷達無線感應及手勢識別技術實現了馬桶的智能控制，使馬桶的智能化程度進一步提升。項目中毫米波雷達的手勢動作控制功能僅限于左右擺臂控制臀部沖水，其它手勢控制功能在后續設計中還需要不斷地優化完善。隨著毫米波雷達手勢控制技術的不斷發展成熟，該技術也將會在其他家電設備中得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] 陶忠.數字電子技術在網絡中的應用研究[J].硅谷，2013，6（16）：107，105.

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[3] 王靜.毫米波雷達的超分辨技術研究[D].北京：北京交通大學，2021.

[4] 趙俊炎.基于SISL的24G FMCW雷達系統及算法設計[D].成都：電子科技大學，2020.

[5] WANG Z C，HU G X，ZHAO S，et al.Local pyramid vision transformer：millimeter-wave radar gesture recognition based on transformer with integrated local and global awareness[J].Remote Sensing，2024，16（23）：4602.

【通聯編輯：光文玲】