CN105011824A - 一种智能语音控制移动式洗浴设备 - Google Patents
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Abstract
一种智能语音移动式洗浴设备，包括床，移动式洗澡机；所述床，包括充气床体、气枕、充气防水墙，床体及气枕由固形绗缝线压接形成竖型导流槽；设置在床体和充气防水墙上的气嘴，设置在床体底部的导流槽、排水口；所述移动式洗澡机包括：嵌入式ARM为核心的处理器、ADC转换器、DAC转换器、语音采集模块、温度采集模块、隔离驱动模块、直流电机、冷热水阀门、电源模块；所述语音采集模块采集语音信号后传输给ADC转换器；经过ADC转换器转换后的信号输入到嵌入式ARM处理器进行数据处理，并将结果通过DAC转换器输出控制指令给隔离驱动模块。由于采用以上技术方案，实现了使用者通过语音控制实现洗浴的自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种家庭或者医院使用的洗浴设备，尤其是一种适合于行动不便老人或者卧床病人使用的智能语音控制移动式洗浴设备。
背景技术
我国已经逐步迈入老龄社会，人口老龄化使得如何更好的照顾老人成为一个社会问题。再有，每年由于疾病、事故等原因也造成大量瘫痪、肢体残疾的病人。这类人口生活不能自理、长期卧床。对于他们而言，能够和正常人一样进行洗澡，保持身体的清洁和干爽，既是保持或者恢复身体健康的需求，更是他们心理的渴望。此外，为了能给卧床老人和病人洗澡，子女或者护工也需要付出大量的体力和精力。目前，社会上为长期卧床人士提供的洗澡设备要么结构复杂、价格昂贵，要么体积庞大、操作不便。社会亟需一种便捷的、能够满足普通家庭照顾卧床老人或病人需要的洗浴设备。
参见附图6，本申请人于2014年11月10申请一实用新型，其申请号：CN201420692484.6、授权公告号：CN 204169749 U，实用新型名称为：充气式洗浴宝，该洗浴宝包括床(24)，移动式洗澡机(26)；其特征在于：床，包括充气床体、气枕、充气防水墙，床体及气枕由固形绗缝线压接形成竖型导流槽，还包括设置在床体和充气防水墙上的气嘴，设置在床体底部的导流槽、排水口。
中国专利，申请号：CN201120282169，授权公告号：CN202223461U，发明名称：一种家庭瘫痪病人生活自理床，该自理床包括床体的材质机构；病人移位机机构；床体上层可滑动机构及床体上层的分配机构；床垫板下面的架体机构；病人的向前坐起机构；病人的左右翻身机构；自理床的污物排泄结构和病人下体的清洗和烘干机构；病人的洗澡机构及蒸桑拿机构，床体为家庭式，床体的支架为金属架体，其上的床垫板分成5块，1块是固定的，4块是可活动的，其下面安置向前翻身和左右翻身机构，污物排泄结构，病人下体的清洗、烘干机构，病人洗澡和桑拿机构，床头后上方安置病人移位机机构。本发明是适合容纳和提高不同瘫痪病人术后护理和日常生活自理能力的多功能生活自理床。
然而，上述专利并没有公开使用者与该装置的语音互动装置，也没有公开语音控制系统，从而使使用者尤其是病人或老人在洗澡时候还需要伺服人员帮忙开、闭阀门调节水温等功能。
发明内容
本发明提供一种智能语音控制移动式洗浴设备，解决了现有技术中存在的不足。
本发明通过以下技术方案加以实现：
一种智能语音控制移动式洗浴设备，包括床，移动式洗澡机及其控制部件；所述床，包括充气床体、气枕、充气防水墙，床体及气枕由固形绗缝线压接形成导流槽，还包括设置在床体和充气防水墙上的气嘴，设置在床体底部的排水口；其特征为：所述移动式洗澡机的控制部件包括：语音采集模块和语音处理模块，使得所述移动式洗澡机能够语音播报并接受语音控制。
进一步地，所述控制部件还包括：嵌入式ARM为核心的处理器、ADC转换器、DAC转换器、温度采集模块、隔离驱动模块、直流电机、水流阀门、电源模块。
进一步地，所述嵌入式ARM处理器型号为Atmel公司生产的AT91RM9200。
进一步地，所述语音采集模块采用驻极体电容话筒；语音信号经所述话筒转换成电信号，所述语音信号经过运算放大器OP37芯片作为输出电压的放大芯片，同时采用电压负反馈的连接方式根据输入语音的强弱自动调整放大电路的增益。
进一步地，所述隔离驱动模块包括：光电隔离电路、驱动放大电路、桥式逆变电路以及电流采样电路、过流保护电路。
进一步地，所述桥式逆变电路由4个MOSFET管组成，M1+、M1-两端是该逆变电路的输出端，直流电动机作为负载接在桥路M1+、M1-上；在MOSFETQ1、MOSFETQ10基极加一组完全相同的方波，在MOSFETQ2、MOSFETQ9基极加另一组相同的方波，这两组控制电压的相位相反。
进一步地，所述过流保护电路采用霍尔电流传感器来检测电机相电流，通过霍尔传感器得到电机的相电流信号，该相电流信号经过隔离放大、加法电路、限幅电路的信号调理电路将取样电压转化为适合ARM处理的电压，并将处理后的电压送到ARM控制器。
进一步地，所述水流阀门为冷热水阀门或者水流速度、流量控制阀门。
进一步地，所述智能语音控制包括控制洗澡机的开启、水温调节、水量调节或移动洗澡机的位置移动。
进一步地，所述智能语音控制还包括采集水温和/或水量数据，并进行语音播报。
有益效果：本发明由于采用以上技术方案，实现了使用者仅仅通过语音控制实现洗浴的自动化。
附图说明
图1为本发明智能语音控制移动式洗浴设备电路结构框图。
图2为智能语音控制移动式洗浴设备中语音获取模块中语音信号处理电路。
图3为本发明智能语音控制移动式洗浴设备中隔离驱动模块框图。
图4为智能语音控制移动式洗浴设备中隔离驱动模块中的桥式逆变电路电路。
图5为智能语音控制移动式洗浴设备中隔离驱动模块中的电流采样电路、过流保护电路。
图6为智能语音控制移动式洗浴设备组合图。
其中：11、废水折叠桶；24、床；25、电动充气泵；26、移动式洗澡机
具体实施方式
本发明提出一种新型智能语音控制移动式洗浴设备，尤其是一种适合于行动不便老人或者卧床病人使用的移动充气式洗浴设备。该洗浴设备在本申请人原有专利(CN201420692484.6)的基础上增加了语音功能，同时为了配合本申请语音功能的设置，对原有洗浴设备进行部分改造，使特殊应用群体在洗浴时，更加方便智能。
在″充气式洗浴宝″的基础上，提出对移动式洗澡机的语音控制要求，其语音命令包括使用者发出的口令：如″开始洗澡″、″增加水温″、″降低水温″、″暂停放水″、″水流加大″、″水流减小″、″结束洗澡″等，此外，其语音命令还包括洗澡设备发出的报警命令：如″冷水水量不足″、″热水水量不足″、″温度过高″、″温度过低″等，同时根据需要，采用嵌入式操作系统，根据不同的需要增加或减少语音命令。使用者在应用该设备时，该洗浴设备中的语音控制装置对用户使用中发出的语音进行识别、产生相应的控制命令，让用户不需了解系统内部的工作原理，只要看说明书，按照其指导就可以完成操作。实现用说话的方式命令完成用户洗澡功能。
移动式洗澡机控制部件包括：嵌入式ARM为核心的处理器、模数转换器、数模转换器、语音采集模块、温度采集模块、隔离驱动模块、直流电机、混水阀门、电源模块。处理器是整个系统的大脑，主要完成语音信号的采集、存储工作，对语音信号进行特征提取、识别的算法处理工作最终给出语音命令对应的控制信号，完成洗浴功能。
下面对部分模块进行详细说明。
嵌入式ARM为核心的处理器，采用最小系统设计，即在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置，包括：时钟模块，通常经ARM内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入；Flash存储模块，存放启动代码、操作系统和用户应用程序代码；SDRAM模块，为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域；JTAG模块，实现对程序代码的下载和调试；UART模块，实现对调试信息的终端显示；复位模块，实现对系统的复位。
嵌入式ARM处理器可优选为：Atmel公司生产的AT91RM9200。
语音获取模块，采用驻极体电容话筒(具有结构简单、灵敏度高、无方向性、体积小、频率响应宽的优点)。语音信号经话筒转换成电信号，由于获取语音信号比较微弱一般拾音器的输出的电压为毫伏级别所以需要进行放大，本方案采用高精度运算放大器OP37芯片作为输出电压的放大部件，同时采用电压负反馈的连接方式根据输入语音的强弱自动调整放大电路的增益，使信号不至于太大造成失真或太小影响后续的处理。参见附图2所示，其工作原理如下：
反馈电压为：
反馈系数F由定义式 得
经过放大调整后的语音信号输入到语音处理芯片进行语音处理，该语音处理芯片优选为ILV320AIC23芯片。经过处理后的音频采样信号传输到ADC转换器，使其成为时间的离散函数，即按一定的时间间隔(T)在模拟声波上截取一个振幅值(通常为反映某一瞬间声波幅度的电压值)，该振幅值采用若干位二进制数表示，得到离散信号x(nT)(n为整数)，T称为采样周期，1/T称为采样频率。也就是说：经过处理后的音频采样信号传输到ADC转换器中实现：把信号在幅度轴坐标上表现出来的数字提取出来的量化过程、把信号在时间轴坐标上表现出来的数字提取出来的采样过程、把采样和量化后的数据按一定格式数字化存储的编码过程。在ADC转换器中采样时间间隔的倒数叫采样频率(sampling frequency)，采样频率越高说明单位时间采集的样本数越多，重放时越能还原真实声音，声音越自然，采样频率单位是Hz(赫兹)，22.05kHZ、44.1kHz、48kHz这三个采样频率是日常工作常遇到的，由于人类的耳朵无法分辨48kHz以上的声音，高于48kHz的采样频率在工程应用中没有实际意义。根据奈奎斯特(HarryNyquist)采样理论：在进行模拟转换成数字信号(AD)的转换过程中，只有当采样频率fcmax大于信号中最高频率finax的2倍时，转换之后的数字信号才能完整地包含了原始信号中的信息，为了保证信号采样后能不失真地回放一般实际应用中，采样频率需要达到信号最高频率的4～8倍，即采样频率必须远大于信号最高频率的两倍。因此本发明中采样频率范围为192kHz-384kHz。
采集到的音频信号的数据量非常大，如果不经过处理直接使用是非常困难的，只是保存它们就需要大量的存容量，传输占用带宽很大，本发明采用音频压缩编码格式为MP3、PCM，RA、ADPC。
经过ADC转换器转换后的信号输入到嵌入式ARM控制器中进行音频信号编码、纠错编码、调制、附加同步信号、发送、接收信号、提取同步信号、解调、解读子码、纠错解码、信源解码等步骤后输入到DAC转换器。
温度采集模块，包括采集热水储水腔中水温温度以及花洒出水温度，嵌入式ARM控制器通过温度传感器采集花洒出水温度，根据用户的语音指令通过直流电机控制冷热水混水阀门精确调节出水温度高低。此外，嵌入式ARM控制器通过采集热水储水腔中的温度来控制加热部件是否对水进行加热，本发明可以采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，其型号为DS18B20，该传感器可以直接输出串行数字信号，具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性。此外，温度传感器也可以采用热敏电阻。
隔离驱动模块，参见附图3。该隔离驱动模块包括：光电隔离电路、驱动放大电路、桥式逆变电路以及电流采样电路、过流保护电路。
嵌入式ARM处理器输出控制命令给PWM产生电路，由于PWM产生电路为数字电路，其工作频率较高，工作电压及电流较低，而功率驱动模块的电压和电流较大，如果驱动模块的高压侧大电流直接连接前端控制数字电路，将会对数字控制电路造成干扰，严重时损坏控制器驱动电路。为保证ARM控制器的正常工作，必须实现弱信号ARM控制器的硬件系统与大电流的功率放大电路之间进行隔离与匹配。本发明光电隔离芯片采用美国快捷半导体公司(Fairchild Semiconductor)的6N136，其速度可达1Mbits/s，隔离电压2500Vrms(Min)，共模抑制比(CMR)为10KV/us，适用于具有较大噪声的场合。
驱动放大电路采用IR2110S集成芯片，该芯片是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，其包括：逻辑输入、电平转换、保护电路、上桥臂输出、下桥臂输出。悬浮电压采用自举电路，可以驱动500V的母线电压，工作频率较高，可以达到500kHz，具有独立的低压侧和高压侧输入通道，逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力，与CMOS和LSTTL标准兼容，输出电压范围在10～20V，死区时间为520ns，由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自通道上，容许逻辑电路参考地Vss和功率电路参考地(COM)之间有-5～+5V的偏移量，能屏蔽小于50ns的脉冲。两个高压MOS管推挽驱动器最大灌入或输出电流可达2A。
参见图4所示。桥式逆变电路由4个MOSFET管组成，M1+、M1-两端是该电路的输出端。直流电动机作为负载接在桥路M1+、M1-上。采用双极性输出的控制方法，即在Q1、Q10基极加一组完全相同的方波，在Q2、Q9基极加另一组相同的方波，这两组控制电压的相位相反，同时通过软件设置死区时间，防止MOS场效应管同一桥臂直通损毁，在实际设计中，死区时间设置为6μs。
参见图5所示。直流电机过流保护电路是驱动装置不可缺少的环节。本发明采用霍尔电流传感器来检测电机相电流，通过霍尔传感器得到电机的相电流信号，该信号经过隔离放大、加法电路、限幅电路等信号调理电路将取样电压转化为适合ARM处理的电压，并将处理后的信号送到ARM控制器。
当直流电机的相电流流过霍尔电流传感器后，经取样电阻取样后信号为Vi，由运算放大器的知识可知：V01＝Vi。当输入信号为正时，即Vi＞0，此时D2导通，而D1截止。对于N2放大器：
对于N3运放，其输入为V01和V02两电压的求和运算：
对于式(1)与式(2)得：
由电路中的参数可得：
V03＝V01＝Vi (4)
即输出信号等于输入信号。
当输入信号为负时，D2截止而D1导通，根据运放电路的″虚短″V02等于0。因此对于N3电路：
根据电路中的参数得：
V03＝-Vi (6)
综上所述：输入信号Vi与输出的关系为：
V0＝|Vi|
嵌入式ARM控制器输出PWM脉宽调制信号，该信号传输到光电隔离器的输入端，其输出端连接驱动放大电路，通过驱动放大电路驱动桥式逆变器，从而驱动直流电机的正反转，并最终调节水流阀门的出水大小。
实施例
下面结合具体实施例描述本发明的智能控制移动洗澡设备的使用过程。
将充气床体以折叠状放在床上，展开，塞于卧床人士身下，只需将其侧翻到充气床体1上，然后调整充气床体至与人体相合适的位置。再通过电动充气泵装置将三连气嘴中合适大小的气嘴安装至充气口，打开开关并将三连气嘴对准双盖气嘴的第一道充气口充气。当充入适量的气体后，人体头部枕于气枕部，身体躺在充气床体上，在排水管下方展开废水折叠桶、并将其放置好。给移动式洗澡机的储水腔里注入刻度线以下的水，本发明的移动式洗澡机可以只有一个储水腔，水温加热到合适温度后，供洗浴用；本发明的移动式洗澡机也可以具有两个储水腔，分为冷水储水腔和热水储水腔，在控制面板中设置所需温度。
在具有冷热水两个储水腔时，将冷热水混水阀门安装在混水口上，并通过直流电机控制混水阀门的关闭，出水管为不锈钢软管，其一端接在混水阀门上，另一端固定在花洒支架上。服务人员推动万向轮将之移动到床边，花洒升降杆拉动到与身体高度合适的位置，待水加热后拿下出水花洒准备给卧床人士冲洗。
在该过程中，如果是一个或多个服务人员或亲友为卧床人士洗澡，可以采用语音控制启动洗澡程序，也可以不使用语音控制启动程序，但是如果洗澡机智能控制系统检测到在洗澡过程中冷、热水的储量不足情况，或者水温过高或过低情况，会主动发出″冷水水量不足″、″热水水量不足″、″水量不足″、″温度过高″、″温度过低″等语音提示，这时服务人员能够及时根据提示进行处理。
在某些情况下，比如养老院或者医院的服务人员需要服务多个洗澡对象，又或者卧床病人只是行动不便，能够自行洗澡，在服务人员在调节好洗澡机及花洒位置后，设置好水温，在水温到达设定温度后，洗澡机发出语音提示，此时可由卧床人士或者服务人员发出″开始洗澡″语音指令，该指令通过ARM控制器进行信号处理后，最终通过直流电机控制混水阀门或者水流阀门的开闭实现使用者开始洗澡。如果使用者感觉水温太低，则发出″增加水温″的指令，直流电机控制混水阀门以增大热水的流量或减少冷水的流量，或者是启动加热程序再次对水进行加热，从而提高洗澡水的温度；当使用者感觉水温太高时候，则发出″降低水温″的指令，直流电机控制混水阀门减小热水的流量或增大冷水的流量；当使用者在洗澡中途需要诸如打肥皂、搓澡等项目，则发出″暂停放水″的指令，直流电机控制混水阀门同时关闭冷热水管，停止供水。在使用过程中，同样地，洗澡机可以会主动发出″冷水水量不足″、″热水水量不足″、″水量不足″、″温度过高″、″温度过低″等语音提示，或者语音播报水温和水量，此时服务人员或者洗澡者会根据语音播报及时处理。
进一步地，还可以语音控制洗澡机的位置移动。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种智能语音控制移动式洗浴设备，包括床，移动式洗澡机及其控制部件；所述床，包括充气床体、气枕、充气防水墙，床体及气枕由固形绗缝线压接形成导流槽，还包括设置在床体和充气防水墙上的气嘴，设置在床体底部的排水口；其特征为：所述移动式洗澡机的控制部件包括：嵌入式ARM为核心的处理器、ADC转换器、DAC转换器、语音采集模块、温度采集模块、隔离驱动模块、直流电机、水流阀门、电源模块；所述语音采集模块采集语音信号后传输给ADC转换器；经过ADC转换器转换后的信号输入到嵌入式ARM处理器进行数据处理，并将结果通过DAC转换器输出控制指令给隔离驱动模块，所述隔离驱动模块输出驱动信号给直流电机，从而控制水流阀门的工作状态，实现洗浴的水流控制；所述温度采集模块采集水的温度，并将采集数据传输到ARM处理器；所述电源模块供给洗澡机内部电路的电源供应。
2.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述嵌入式ARM处理器型号为Atmel公司生产的AT91RM9200。
3.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述语音采集模块采用驻极体电容话筒；语音信号经所述话筒转换成电信号，所述语音信号经过运算放大器OP37芯片作为输出电压的放大芯片，同时采用电压负反馈的连接方式根据输入语音的强弱自动调整放大电路的增益。
4.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述ADC转换器中采样频率范围为192kHz-384kHz。
5.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述隔离驱动模块包括：光电隔离电路、驱动放大电路、桥式逆变电路以及电流采样电路、过流保护电路。
6.根据权利要求5所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述桥式逆变电路由4个MOSFET管组成，M1+、M1-两端是该逆变电路的输出端，直流电动机作为负载接在桥路M1+、M1-上；在MOSFETQ1、MOSFETQ10基极加一组完全相同的方波，在MOSFETQ2、MOSFETQ9基极加另一组相同的方波，这两组控制电压的相位相反。
7.根据权利要求5所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述过流保护电路采用霍尔电流传感器来检测电机相电流，通过霍尔传感器得到电机的相电流信号，该相电流信号经过隔离放大、加法电路、限幅电路的信号调理电路将取样电压转化为适合ARM处理的电压，并将处理后的电压送到ARM控制器。
8.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述水流阀门为冷热水阀门或者水流速度、流量控制阀门。
9.根据权利要求1所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述智能语音控制包括控制洗澡机的开启、水温调节、水量调节或移动洗澡机的位置移动。
10.根据权利要求1或9所述的智能语音控制移动式洗浴设备，其特征为：所述智能语音控制还包括采集水温和/或水量数据，并进行语音播报。
Priority Applications (1)
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