基于STM32的智能坐便器激光投影控制器设计*

时间：2024-07-28

徐金王学成董英董长江董朝顺

(1 唐山惠米智能家居科技有限公司河北唐山 063307)(2 惠达卫浴股份有限公司河北唐山 063307)

前言

随着智能家居行业的发展和卫浴智能化需求的变革，各类智能化资源的投入，给智能坐便器行业发展提供了强大的推力。

智能坐便器也称为“电子坐便器”或“智能马桶”,由美国人于1964年发明,20世纪80、90年代在日本开始普及，90年代初智能坐便器引入中国。2015年后智能坐便器行业进入高速发展时期，智能化的功能控制及人机交互多重方案设计也逐步被移植到智能坐便器上。

传统的智能坐便器，大多采用机身控制器(如侧按键、旋钮等)和无线控制器(如遥控器、手机APP等)来实现智能坐便器的功能控制和档位调节，也有一部分搭载了新型的语音识别及手势控制等方式来控制。因卫生间具有潮湿、通风不良、光照不足等环境特点，控制器上不可避免会有残留的污物、细菌，使用者在使用控制器时，污物和细菌会接触使用者的手部，不仅不卫生，且有细菌感染的风险。

笔者简要介绍了一种新型控制器的设计方案，将激光投影技术和图像采集编译处理技术进行移植及整合，结合卫生间湿度高、光线不足等特点，设计出一种通过双脚控制智能坐便器可视化控制系统，有效解决了使用者在使用智能坐便器时双手沾染污物和细菌的问题。

2 激光投影控制器的技术方案

本设计方案硬件部分由激光投影成像系统、激光定位系统、图像采集系统和图像处理系统四部分组成。

图1 设计方案部件安装位置示意图

激光投影成像系统安装于智能坐便器陶瓷前端外壁，与水平线形成固定的夹角(具体需根据陶瓷弧度来确定安装角度，以影像能在着座时使用者的双脚之间为佳，笔者试验与水平线的夹角约为28°)。激光投影成像系统采用的低功率的激光发射源(同激光笔的配置，笔者试验采用的波长650 nm激光源)，通过智能坐便器主控板内的微控制器，可增加和减少发射功率，进而调节激光源亮度，激光透过刻有功能控制图标的光栅，将功能控制图标的影像透射到使用者着座后的双脚之间的地面空白区域(根据实际使用情况，设定着座使用时双脚间间距为400 mm)。

图2 影像位置与双脚关系示意图

激光定位系统采用一字线激光发射器(笔者试验采用的激光波长为808 nm，有效发射距离为1 m)，采用铝制外壳增加散热及后部封胶做好防水，可根据实际情况，适时调整输出功率(笔者的试验功率约为50 mW)，激光发射器发出平行于投影平面的激光束，当人体脚后跟落在对应的功能按键位置时，则会阻碍激光的传输，并在脚跟的遮挡区域形成激光反射。由于激光源发出的波长超出可见光的波长范围，使用者肉眼不可见，不会造成光污染，而在图像采集时，遮挡位置形成反射激光束会形成月牙形状的白色光斑，图像分析时则作为特征点被收集及分析。

图像采集系统作为激光控制器的信息收集系统。图像采集系统需要在卫生间内复杂的光线及湿度环境下，实现投影图像信息的精确采集，方案采用广角镜头搭配低照度的图像传感器来实现，镜头需采用定焦广角镜头，且具有良好的防水效果(笔者试验采用的为舜宇4 mm广角定焦镜头,如原厂镜头带有偏光片，需取下后试验)，图像传感器应具有高灵敏度及适应低照度的特点(笔者试验用的图像传感器为镁光AR0230)。默认输出的图像格式为640*480 30FPS，以保证能够充分辨识特征点的前提下，不会额外增加数据的处理量。将组装好的图像采集模块，根据上述的安装位置，调整好焦距并固定。

图像处理系统是激光控制器的核心，工作任务为将图像采集系统收集的图像信息，进行数据处理及辨识，后发送对应功能的指令给到智能坐便器的相应功能部件以实现对应的功能。图像处理系统采用Cortex-M3以上为内核的微控制器(笔者试验采用意法单片机STM32F103ZET6)，能够同时满足图像数据处理的需求和智能坐便器的功能部件的配置需求。

图3 激光投影控制器功能使用示意图

3 激光投影控制器的工作原理及逻辑

智能坐便器开启电源后，主控板微控制器进行系统初始化，完成各项微控制器配置，其中包含激光投影控制器初始化及其他功能参数的初始化。

激光投影控制器的初始化步骤如下：

(1)图像采集系统和图像处理系统配置原始参数，包括但不限于算法、通信协议、图像格式、图像帧数、阈值。

(2)激光投影系统启动，图像采集系统采集原始图像，并将图像数据发往图像处理系统，微控制器将图像数据进行二值化处理，后将有效的单点像素边缘像素点进行八位关联，去除无效的噪声，进而构建出每个功能投影的区域范围，如下图所示。

图4 图像处理坐标点的示意图

(3)如未确定有效的区域范围，微控制器调整激光投影系统的发射功率，调节图像投影的亮度，优化图像采集效果。

(4)确定区域范围成功后，微控制器根据既定算法，在采集的图像数据中建立坐标系，其中图示原点位置为其中一个功能投影的边界点，因为此点趋向于图像中心，而广角镜头的图像采集时非中心位置会出现畸变，故以此位置为坐标原点(x0，y0)，保证原点位置的精度。

(5)取左上方的控制区域为例，将矩形区域的对角点作为边缘临界点，经过数据处理后，在坐标系内生成边界坐标点(x1，y1)和(x2,y2)，以此类推，将其他有效的投影影响边界进行数据处理，取每个功能功能投影边缘区域的左上、右下作为临界点，设定为边界坐标点，并作为对应功能的区域临界坐标点数据存储到微控制器或外挂FLASH。

(6)激光投影控制器关闭，初始化完成。

如因特殊情况出现无法确定功能按键阈值的情况(如镜头前方出现遮挡或定位失效等情况)，曾初始化失败，微控制控制板载蜂鸣器提示报警音，提示使用者激光投影控制器初始化失败。

所有配置初始化完成后，可供使用者使用，当使用者坐在智能坐便器座圈上，此时位于座圈内部的静电传感器监测到人体信号连续10 s后，智能坐便器进入入座使用状态，此时开启激光投影控制器，当使用者需要使用功能时，将脚移动到对应的区域内，从而遮挡定位激光形成的月牙形光斑，图像采集系统将图像信息传送至图像处理系统，图像处理系统根据算法确定月牙区光斑的中心(月牙区域光斑中心，不做为特定形状约束，根据各位置的落点情况，通过算法实时调整)，当其中心位于对应功能按键区域内，且有70%以上光斑落入到此功能区域内，则视为使用功能，微控制器收到指令后，则蜂鸣器发出一声声响，提示已经正确接收指令并执行；如月牙光斑中心落入，但落入此区域的光斑范围未超过70%，则视为误触；光斑中心未在制定区域内，则视为未使用控制器的功能。

图5 图像处理光斑落入时的示意图

关于月牙形光斑的区域中心的确定，笔者采用如下的方法，此方法相对简单，经试验也可基本满足要求。

图像光斑区域经图像处理系统处理后，确认四个临界点的对应坐标，分别为左临界点(xL,yL)、右临界点(xR,yR)、上临界点(xT,yT)、下临界点(xB,yB)。设月牙形光斑左右对称，则月牙形光斑中心坐标(xC，yC)坐标为：

xC=(xR-xL)/2;

yC=(yT-yB)/2；

当且仅当xC≤90 mm(鞋后跟宽度边界范围)时，方案成立，如不满足，则无有效数据返回。

当x1≤xC≤x2且y1≤yC≤y2时，视为月牙光斑中心坐标位于投影有效控制区域内，此时可进行下部运算。

分别去外圆弧特征点、内圆弧特征点和左右临界点为三点，做出外接圆，并确认图示中左右邻接点与圆弧相关形成的阴影区域的面积，计算差值，并计算与投影有效区域的面积占比。

图6 光斑落入占比算法示意图

当落入面积占月牙形面积比例超过70%的情况下，视为控制有效；当占比不足70%时，则视为控制无效，不触发微控制器进行动作指令输出。

当图像信息处理完成并正确执行指令后，激光投影控制器重新恢复到待启用状态，等待下一个用户指令的输入。

当使用者用完离开智能坐便器后，静电传感器监测到人体离开，此时整机进入到待机模式，关闭激光投影控制器，启动离座冲水，冲水完成后，整机重新进入待使用模式。