CN105804166B - 自动水龙头 - Google Patents

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Abstract

一种自动水龙头包括壳体，壳体构造成接收至少一个进水口管道并且具有用于输送水的喷口。自动水龙头包括阀门模块、传感器模块、电池模块、涡轮模块和控制模块。阀门模块包括受到电磁致动器控制的阀门，用于对出自喷口的水流进行控制。传感器模块构造成提供受到使用者影响的传感器数据。控制模块构造成通过向电磁致动器提供信号而控制阀门的打开和关闭。控制模块还构造成从传感器模块接收传感器数据并且执行感测算法。控制模块还构造成执行电力管理算法，电力管理算法用于对由水涡轮产生且提供至电池或来自电池的电力进行管理。

Description

自动水龙头
本申请是基于申请日为2012年3月15日、申请号为201280013636.9(国际申请号为PCT/US2012/000150)、发明创造名称为“自动水龙头”的中国专利申请的分案申请。
本申请要求2011年3月15日提交的名称为“Automatic Faucets”的美国临时申请61/465,213和2011年7月31日提交的名称为“Automatic Faucets”的美国临时申请61/574,345的优先权，这两个申请以引用方式并入。
技术领域
本发明涉及自动水龙头以及用于操作和控制这种水龙头的方法。
背景技术
在公共设施或大型私人设施中，现今使用着数种不同类型的自动水龙头。还存在计量水龙头，通过压住水龙头头部而手动地开启该计量水龙头以打开水，并且对该计量水龙头进行液压计时使得在该头部下降之后的设定时间段内持续出水。这些水龙头中的一些具有允许对热和冷水单独控制的单独头部。其它计量水龙头将进来的热和冷水流进行混合，并且在开启时，传送温和的输出流。
还已知的是手动开启的计量水龙头，以电子方式控制其接通时间。其它已知的水龙头在使用者将手定位在水龙头下方时以电子方式开启。自动水分配系统提供众多优点，包括改善卫生、节水和减少维护成本。因为很多传染疾病通过接触而传播，因此公共保健机构鼓励公众且命令食品工作者进行合适的卫生训练，包括有效地洗手。通过自动水龙头使有效洗手更容易。自动水龙头典型地包括检测物体的存在的物体传感器和基于来自传感器的信号而打开和关闭水的自动阀门。如果自动水龙头的水温不在最佳范围内，则人们趋向于缩短他们的洗手时间。为了获得最佳水温，必须实现热和冷水的合适的混合比以及合适的水致动。自动水龙头通常使用预设阀门，该预设阀门控制混合后的水流。
液压计时水龙头的缺点在于：因为主要压力变化和在水龙头内积聚的对水龙头内的液压控制造成负面影响的杂质，因此长期之后难以准确地控制该水龙头的接通时间。此外，一些水龙头不能始终辨别使用者的手、其它物质以及可能接近水龙头的物体(例如，与水龙头的红外收发器相对设置的反射物体、设立在水龙头的接近传感器上的肥皂等)。结果，那些现有水龙头可能会无意地打开和/或持续太长时间而造成水的浪费。
仍然需要可靠的自动水龙头，其不浪费水并且具有有效节能的操作。
发明内容
本发明大体涉及基于传感器的自动水龙头和操作这种水龙头的方法。
根据一个方面，一种自动水龙头包括：壳体，其构造成接收至少一个进水口管道并且具有用于输送水的喷口；以及阀门模块，其包括受到电磁致动器控制的阀门，用于对出自喷口的水流进行控制。该水龙头还包括：传感器模块，其构造成提供受到使用者影响的传感器数据；以及控制模块，其构造成通过向电磁致动器提供信号而控制阀门的打开和关闭。控制模块构造成接收来自传感器模块的传感器数据并且执行感测算法，该感测算法保持追踪噪声信号水平并且动态地适用信号阈值，该感测算法追踪信号趋向以确定使用者的存在。
根据优选实施例，控制模块构造成针对不同电力供应源采用独立的参数来执行感测算法。
传感器模块包括电容式传感器。电容式传感器包括接触电容式传感器，或者包括接近电容式传感器。可替换地，传感器模块包括主动式红外传感器，主动式红外传感器包括红外发射器和检测器。
阀门模块、传感器模块和控制模块位于水龙头的壳体内。可替换地，阀门模块和控制模块位于控制系统单元内，控制系统单元位于水槽的顶部表面的下面。控制系统单元可以包括用于连接进水口管道的快速连接配件。控制系统单元包括与致动器相关联的水过滤器。
使用壁板将控制系统单元安装在壁上。阀门模块设计用于在移去致动器之后自动关闭。
自动水龙头包括用于向电子控制电路提供电力的水涡轮。水涡轮和控制模块设计用于测量水龙头的水流速度。水涡轮和控制模块设计用于检测水龙头的故障状态。控制模块构造成执行电力管理算法。
自动水龙头包括用于向电子控制电路提供电力的光电电池单元。自动水龙头包括用于向使用者指示状态的指示器。指示器包括LED二极管。
根据另一个方面，一种自动水龙头包括壳体，壳体构造成接收至少一个进水口管道并且具有用于输送水的喷口。自动水龙头包括阀门模块、传感器模块、电池模块、涡轮模块和控制模块。阀门模块包括受到电磁致动器控制的阀门，用于对出自喷口的水流进行控制。传感器模块构造成提供受到使用者影响的传感器数据。控制模块构造成通过向电磁致动器提供信号而控制阀门的打开和关闭。控制模块还构造成从传感器模块接收传感器数据并且执行感测算法。控制模块还构造成执行电力管理算法，电力管理算法用于对由水涡轮产生且提供至电池或来自电池的电力进行管理。
本发明还涉及基于传感器的流动控制系统，例如用于将水输送至水槽的基于传感器的水龙头。基于传感器的流动控制系统包括：阀门，其插入管道中并且受到电磁致动器的控制；以及传感器，其用于向电子控制电路产生传感器输出信号，电子控制电路构造并布置成将控制信号提供至电磁致动器以打开和关闭阀门。基于传感器的水龙头包括位于安装在水槽上的水龙头本体内的控制电路，或者包括位于水槽下面的控制模块(控制系统单元)。水龙头可以由检测使用者的接近、存在或离开的电容式传感器、主动式IR传感器、被动式IR传感器或超声传感器进行开启。
该方面的优选实施例包括下面特征中的一个或多个：
控制模块(控制系统单元)可以包括电磁致动器(螺线管致动器)、电池组和水涡轮。电磁致动器能够自动关闭，因此在维护、阀门改变或过滤器清洁的情况下无需关闭水。
附接至可移除阀门套的过滤器以及与电磁致动器相关联的自动关闭的结合允许在无需工具并且不必关闭水供应的情况下检查和清洁过滤器。
优选地，水龙头包括用于向电子控制电路提供电力的水涡轮和可再充电电池。水涡轮和电子控制电路设计用于测量水龙头的水流速度。水龙头可以包括水涡轮、光电电池单元和可再充电电池，并且微控制器可以包括用于控制电力的输入和输出以及对电池充电的电力管理系统。
根据另一个方面，基于传感器的水龙头包括位于从水龙头流出的水流中的水涡轮。水涡轮包括耦接至转子叶片的转子、磁铁、定子和电线圈，转子叶片位于具有预定流速的水通路内，电线圈构造且布置成产生电力。
优选地，包括水涡轮的水龙头还构造且布置成检测离开水龙头的微量水。包括水涡轮的水龙头还构造且布置成检测离开水龙头的水的流速。水龙头由自动传感器致动并且还构造和布置成基于来自水涡轮的信号检测水龙头的元件故障。
水涡轮包括：转子，其附接至磁铁由此在水流期间使磁铁旋转地位移；以及电线圈，其相对于定子是固定的。
有利地，控制模块设计为便于水管道(例如，水软管)的容易安装和拆卸。安装需要简单的拉/推以将管道固定至控制系统单元和/或至水龙头。在关闭水供应之后，快速连接软管配件允许在安装阀门壳体(歧管)之前安装软管。与专用壁安装支架结合，歧管能够容易地安装和去除以便维修而无需工具。本设计使用专门的六角扳手、或者用于将控制模块的盖相对于安装在水槽下面的支架螺钉紧固的其它键。
控制模块(控制歧管)设计成与壁安装支架协作。歧管能够容易地安装至壁支架上以及去除。歧管经由简单的扭转动作附接至壁板并且在歧管盖被放置在歧管上时即被固定。
通过简单的螺钉紧固而刚性地和完全地固定控制系统单元。一旦盖螺钉固定，则不能从壁安装支架(壁板)移去歧管。
控制模块歧管还包括电池外壳，电池外壳固定电池，而不考虑外壳相对歧管的取向。电池外壳仅以两种方式(180度对称)安装，并因此防止错误极性安装。电池外壳允许“盲”安装，即，如果安装者不能看见水槽下面的位置，但仍然可以安装电池。简单地将电池盖环转动1/4可使电池滑出，以便容易更换。如果电池外壳环未锁住电池(电池未固定)，则电池外壳不能安装到歧管上，这给予安装者以警示。电池外壳经由O形圈密封以防湿气，并且电池外壳经由卡扣固定在歧管中。
控制模块歧管还包括水涡轮。涡轮减小功耗并且还通过读出AC信号频率允许精确计量，AC信号频率与流速成比例，并且还通过可插入流动喷嘴针对不同流速进行了优化，且集成在歧管并用于故障检测(例如渗漏和阻塞)中。即，涡轮因渗漏而转动或者因阻塞而停止。
这种新颖的水龙头可以使用一个螺钉容易地安装和移去顶冠组件。有利地，顶冠设计和功能可以容易地改变，例如增加光电电池单元、显示屏(例如，LCD显示器)和使用者界面。
电磁致动器可以耦接至仅一个阀门，该阀门插入输送预混合的热水和冷水的一个管道中。电磁致动器可以耦接至另一种类型的阀门以在两个独立管道中控制热水和冷水的流动，如在PCT申请PCT/US01/43277中描述。可替换地，控制信号可以输送至两个机电致动器，这两个致动器构造且布置成独立地控制两个阀门，并因此独立地控制具有输送至水龙头的热水和冷水的两个独立管道中的水流。
根据又一个方面，水龙头可以是由自带的电池操作的电子水龙头，其能够在电池更换之间操作超过两年、三年或更多年。水龙头具有最小数量的移动部件，并且可以非常容易地访问各个部件以便维护。可以以相对较低成本制造和维护该水龙头。
根据另一个方面，提供用于校准或对基于传感器的水龙头编程的新颖界面。该界面经由耦接至控制水龙头中水流的微处理器的物体传感器与使用者交互。基于传感器的水龙头包括：插入管道中且受到电磁致动器控制的阀门；以及传感器，其用于向电子控制电路产生传感器输出信号，电子控制电路构造且布置成提供用于打开和关闭阀门的控制信号。控制电路可以指导阀门在各种算法的不同步骤处提供预定数量的水集束(burst)以与使用者沟通。控制电路可以控制阀门以在感测不同问题(例如，水龙头元件之一中的电池低状态、电子问题或机械问题)时提供脉动水输送。
根据再一方面，使用防止或显著减少由水龙头调节的水中的细菌或其它生物生长的材料来构造水龙头。此外，基于传感器的水龙头构造成自动地执行冲洗算法以对水龙头中包含的水冲洗预定时间段并因此冲洗可能已在水龙头内部滋生的细菌污染。控制电路还可以在执行这样的冲洗算法时将信号提供至光学、声学或其它指示器。
根据又一个方面，水龙头具有热水和冷水进口和出口。传感器产生提供至电子控制电路的传感器输出信号，该电子控制电路构造且布置成将控制信号提供至机电致动器。控制电路还将信号提供至光学、声学或其它指示器，指示器在致动器首次打开阀门时发出信号。控制电路将信号提供至指示器，该指示器连续地发出信号并持续预定时间段，以向使用者表明根据有效手清洗的需要规定的时间间隔还未期满。当时间间隔期满时，由此向使用者确保他已符合相关持续时间规定。
附图说明
图1是显示安装在水槽上的水龙头的正面透视图，其中控制系统单元位于该水槽之下。
图1A是水龙头的正面透视图，其中控制系统单元以分解图示出。
图2和图2A是显示图1的水龙头的两个实施例的透视图。
图3是图1的水龙头的透视图，其中水龙头顶冠去除。
图3A是没有水龙头顶冠的水龙头的透视分解图。
图3B和图3C分别是水龙头顶冠和电路板模块的透视分解图，其中电路板模块具有设计用于电容式传感器和IR传感器的用于图3所示的水龙头的附件。
图4是位于图1所示的装置的水槽之下的控制系统单元的透视分解图。
图4A和图4B是图4所示的控制系统单元的透视分解图，其中更详细地示出了各个模块。
图4C和图4D是去除盖的图4所示的控制系统单元的透视侧视图，示出了转动的致动器模块。
图4E示出连接至图4的控制系统单元的水管道的快速连接。
图5是用于附接图1和图1A所示的控制系统单元的壁附件板的透视图。
图6和图6A分别是没有各个模块的图4A至图4D所示的控制系统单元的基部保持架的透视俯视图和透视仰视图。
图7、图7-I、图7A和图7A-I是附接有各个模块的控制系统单元的俯视和横截面图。
图8在各个视角和细节图中显示了控制系统单元的盖，这些图也示出了用于将盖附接至基部保持架的各个附接元件。
图8A是图4A所示的电池模块的分解透视图。
图8B是图4A所示的致动器模块的分解透视图。
图9是显示安装于水槽上的水龙头的另一个实施例的正面透视图。
图9A和图9B分别是图9所示的水龙头的正视图和侧视图。
图10是图9所示的水龙头的横截面侧视图。
图10A是图10所示的水龙头的水龙头头部的横截面、详细侧视图。
图10B是图10所示的水龙头的横截面侧视图，在分解图中显示了水龙头头部以更好地图示。
图11和图11A是位于图10A和10B所示的水龙头头部中的涡轮模块的俯视图和横截面图。
图11B是位于水龙头头部内部的元件的透视分解图，包括涡轮模块、电路板模块和通风器。
图12、图12A、图12B、图12C和图12D是包括均位于涡轮模块内部的水流表面的涡轮的示图。
图13显示了位于图10所示的水龙头内部的控制歧管的分解透视图，其中去除了水龙头围封结构，图13A至图13D详细示出了混合阀门。
图14是水龙头元件和用于控制图1或图9所示的水龙头的操作的控制电路的框图。
图15是水龙头元件和用于控制图1或图9所示的水龙头的操作的控制电路的另一个实施例的框图。
图16A至图16G是图15的框图所示的水龙头元件的电路图。
图17示出图1或图9所示的水龙头的主要操作和控制。
图18是示出用于控制电路的电力管理的流程图。
图19、图19A、图19B、图19C和图19D显示另一个流程图，其示出用于水龙头控制的电力管理。
图20是示出用于为控制电路提供电力的电池接触控制的流程图。
图21包括图21A、图21B和图21C，示出了用于感测在图1或图9所示的水龙头喷口处出现的目标的算法的流程图。
图22是示出用于在图21的流程图中打开水的目标感测的流程图。
图22A是示出用于在图21的流程图中关闭水的目标感测的流程图。
具体实施方式
参照图1，水龙头10显示为安装至水槽14，其中水龙头基部18与顶部水槽表面15接触。水龙头包括壳体或包装主体17和水龙头顶冠16。使用电子线路11将水龙头10电耦接至控制歧管(控制系统单元)100并且经由水线路12接收水。图1A示出水龙头10，其中控制系统单元100以分解图示出。水线路12使用快速连接装置(示于图4E中)耦接至控制中心单元100并且提供混合热/冷水。即，存在位于水槽14之下的热冷混合单元(图1和图1A中未示出)。控制系统单元100包括附接至壁附接板106的塑料歧管120和盖105，也如图4和图4A所示。
图2和图2A显示了图1所示的水龙头10至水槽14的两个不同安装实施例。可以使用包括杆24和耦接元件25A和25B的快速连接组件实现该安装。耦接组件可以包括垫片22或用于使水龙头与金属制成的水槽电绝缘的较厚绝缘元件。该绝缘对于与金属水槽安装在一起的电容传感器(下面所述)的合适操作而言是重要的。图2A显示了水龙头10的另一个安装实施例，其使用杆28A和28B与耦接元件27A、27B、29A和29B的组件。
水龙头壳体实际上由壳状结构构成，该壳状结构形成竖立主体和包括水龙头顶冠的上部，水龙头顶冠具有从主体部延伸出来至通风器38的喷口。水龙头顶冠(在图2和图2A中显示为水龙头顶冠34)包括固定至本体的可移除盖板。盖板可以由LCD显示器或另一种类型的显示器取代以便与使用者沟通或者向使用者提供有关娱乐或广告的消息。
图3和图3A示出去除水龙头顶冠34的水龙头。水龙头10包括具有快速连接12A的柔性水管道12，快速连接12A可附接至向通风器38提供水的水龙头顶冠插入件36。图3B是水龙头顶冠34A的透视分解图，包括设计用于使用者手的容性感测的电路板和盖板。图3C是水龙头顶冠34B的透视分解图，包括设计用于使用者手的IR感测(或者可替换地设计既用于容性感测又用于IR感测)的电路板和盖板。
图4是位于水槽之下的控制系统歧管100的透视分解图。图4A是移去盖105的控制系统歧管(控制系统单元)100的透视分解图。控制系统单元100设计成与壁安装支架106(示于图4和图5中)协作以附接至水槽下面的盥洗室壁。
参照图4、图4A、图4B、图4C和图4D，控制系统单元100包括阀门模块150、电池模块200、涡轮模块250和电子控制模块400(如图14所示)。阀门模块包括阀门壳体、下阀门本体、上阀门本体、过滤器和致动器模块。电池模块包括电池壳体和用于容纳四个1.5V电池的电池座。涡轮模块包括水涡轮，水涡轮包括转子组件260和定子组件270，如图12至图12D详细所示。
阀门模块提供使用致动器模块控制至水龙头10的水流的阀门并且提供截止阀门以便容易维护。当致动器模块从阀门壳体移除时，没有水流通过控制系统单元100。还参照图7和图7A，致动器模块150被插入定向成与两个元件上的箭头均匹配的阀门壳体中，如图4D所示。当致动器模块150转动例如如图4C所示的45度时，在致动器打开的情况下，水可以流过阀门模块。旋转致动器模块150大约45度(从图4C所示的位置至图4D所示的位置)关闭阀门以便维护。致动器模块150包括下面所述的机电致动器(螺线管致动器)。图8B是致动器模块和包括水过滤器的阀门的分解透视图，还示于图4A中。螺线管致动器控制从通风器38输送至使用者的水流。
电池模块200包括均提供1.5V DC的四个电池。在控制系统模块100中，表面或塑料歧管120和盖105协作地设计用于紧机械稳固耦接。图8A是电池模块的分解透视图。位于控制系统单元中的电池壳体被设计用于接收电池模块200，不考虑外壳关于歧管的取向。即，电池模块200仅以两种方式(180度对称)安装，并因此防止错误极性安装。电池外壳允许“盲”安装，即，如果安装者不能看见水槽下面的位置，但仍然可以安装电池。简单地将电池盖环转动1/4将使电池滑出以便容易更换。如果电池外壳环未锁住电池(电池未固定)，则电池外壳不能安装到歧管上。电池单元200经由O形圈密封以防湿气，并且电池外壳经由卡扣固定在歧管中。
图5是用于将控制系统单元100附接至壁或者另一个合适表面的壁附接板106的透视图。塑料歧管120、塑料盖105(示于图8中)和壁附接板106包括协作表面并且做出标记以使控制系统歧管100容易维修。整个控制系统单元设计成与壁安装支架106协作以便容易安装以及附接至壁支架和从壁支架移除。歧管经由简单的扭转动作附接至壁板106，并且在塑料盖105放置于塑料歧管120上时即被固定。该单元是刚性的并且通过简单的螺钉紧固而被完全固定。一旦盖螺钉(图8)被固定，歧管则不能从壁安装支架(壁板)106移除。本设计针对固定控制模块的盖105的螺钉使用专用六角扳手(Allen wrench)(或其它键)。水龙头10内的各个模块以及控制系统单元100是可移除的且容易更换以便快速维修。
图6和图6A是用于控制系统单元100的塑料歧管(基部保持架)120的透视俯视图和透视仰视图。图7、图7-I、图7A和图7A-I是控制系统歧管100的横截面图。图10在几个视角和细节图中显示了歧管盖105。
阀门模块和致动器模块的协作作用能够实现自动关闭，并因此在维护、阀门改变或过滤器清洁的情况下无需关闭水。附接至可移除阀门套的过滤器和与螺线管致动器关联的自动关闭的组合允许在无需工具且不必关闭水的情况下检查和清洁过滤器。
致动器模块包括螺线管致动器(螺线管操作器)。螺线管致动器包括围绕电枢壳体缠绕的螺线管，电枢壳体构造并且布置成接收电枢，电枢包括由膜局部包封的柱塞。电枢提供流体通道，以便电枢流体在电枢的远端部分和近端部分之间位移，因而能够实现电枢在打开位置和关闭位置之间的快速有效移动。膜关于电枢壳体而被固定，并且布置成密封在具有固定体积的电枢袋状件内的电枢流体，其中柱塞(即，远端部分或电枢)的位移使膜关于阀门通道发生位移，由此打开或关闭该通道。这能够实现低能量电池的长时间操作。
优选地，致动器可以是闭锁致动器(包括用于保持电枢的永久磁铁)或非闭锁致动器。电枢的远端部分与不同类型的隔膜协作地布置，隔膜设计成当电枢置于其延伸的电枢位置时作用于阀门座上。螺线管致动器连接至控制电路，控制电路构造成响应于来自可选电枢传感器的输出对所述线圈施加所述线圈驱动。电枢传感器能够感测到达端部位置(打开或关闭位置)的电枢。控制电路能够沿第一驱动方向对线圈直接施加线圈驱动信号，并且响应于符合预定第一电流终止标准的来自传感器的输出以开始或停止沿第一驱动方向对线圈施加线圈驱动。控制电路能够响应于符合预定标准的来自传感器的输出指导或停止对线圈施加线圈驱动信号。
例如可以通过螺线管致动器对水龙头进行控制，其中该致动器构造并布置成释放先导腔室中的压力并由此开始活塞、膜或框架组件从关闭阀门位置至打开阀门位置的移动。致动器可以包括闭锁致动器(如美国专利US6,293,516中所描述的，其通过引用并入)、非闭锁致动器(如美国专利US6,305,662中所描述的，其通过引用并入)、或隔离操作器(如PCT申请PCT/US/01/51098中所描述的，其通过引用并入)。阀门模块还可以手动控制将电信号赋予致动器驱动器(而不是传感器发出的信号)，或者通过美国专利US6,874,535(通过引用而并入)中所述手动地释放先导腔室中的压力而进行控制。
参照图4E，控制系统单元设计成以便容易安装和去除向水龙头10提供水的水管道。安装需要简单的推拉以相对于混合阀门或相对于水龙头固定管道(例如，软管)。结合专用的壁安装支架106，控制系统单元100在没有工具的情况下能够容易地安装和去除以便修复。
参照图4A和图4B，在图12至图12D中也示出了涡轮模块250，水涡轮模块250A包括转子组件260和定子组件270，其形成设置在控制系统单元内的水通路中的轴向辐流式涡轮。转子与旋转轴涡轮叶片以及磁铁262一体地固定。转子磁铁通过非磁性构件的壁与定子极相对。定子组件270包括定子线圈271。每个定子线圈设置成与通过定子极272和273的磁通量互连。当水涡轮通过接收水流而旋转时，磁铁相对于定子极旋转。流向转子和定子极的磁通量的流发生变化。结果，电流沿这样的方向流向定子线圈以防止磁通量的流发生变法。在电流整流之后，使用下述电力管理算法将它存储在例如可再充电的电池中。
在涡轮模块250中，爪极定子使用多级磁铁作为发电机，并且转子刚性地附接至推进器264并在旋转轴上浸没于水中。磁铁在新颖布置中滑过推进器并且通过塑料销(图12C)固定。定子转子布置优选地具有12极(但还可以具有更小或更多数量的极以优化能量输出)。发电机还用作测速计以有效测量通过水龙头的流速。该布置还能够实现堵塞线路或堵塞过滤器的故障监测和检测。相应信号提供至微控制器，如图14和图15所示。
仍然参照图12至图12D，轴向辐流式涡轮具有单流体通路，该单流体通路设计成针对超过0.7GPM(加仑/分钟)至0.8GPM能够实现较大横截面流动通路以减小内部流动阻力(即，压力损失)。另一方面，对于低至0.35GPM的低流速，涡轮模块使用增加发电机的功率输出的工厂安装喷嘴。通过模制至图12所示的歧管喷嘴的小拉环和凹槽将喷嘴保持就位。该设计需要相对较小量的空间。
水涡轮模块250减小功耗并且还允许通过读出AC信号频率进行精确水计量，AC信号频率与流速成比例并且还通过可插入流动喷嘴被优化以用于不同流速。可插入流动喷嘴集成在歧管中。
如上所述，磁通量在发电机中的转子和定子极之间流动。当通过流动水的力使水涡轮旋转时磁通量用作阻力。即，在转子和定子极之间产生的磁通量用作定位转矩以在水涡轮的启动和旋转期间制动水涡轮的操作。本发明的涡轮设计成用于启动和检测小量的水流。
涡轮模块可以由另一个可再充电的电源模块(例如一个或数个光电电池单元)更换。光电电池单元可以安装在顶冠组件的顶部。
图9是显示安装于水槽上的水龙头的另一个实施例的正面透视图，其中控制系统单元位于水龙头本体的内部。图9A和图9B分别是图9所示的水龙头的正视图和侧视图。
图10是图9所示的水龙头的横截面侧视图。
图10A是图10所示的水龙头的水龙头头部的横截面、详细侧视图。
图10B是图10所示的水龙头的横截面侧视图，在分解图中显示了水龙头头部以更好地图示。
图11和图11A是位于图10A和图10B所示的水龙头头部中的涡轮模块的俯视图和横截面图。
图11B是位于水龙头头部内部的元件的透视分解图，包括涡轮模块、电路板模块和通风器。图12、图12A、图12B、图12C和图12D是包括均位于涡轮模块内部的水流表面的涡轮的几个图。
图13显示了位于图10所示的水龙头内部的控制歧管的分解透视图，其中水龙头围封结构去除。水龙头包括阀门模块，阀门模块包括致动器模块150、壳体155、下阀门模块165和上阀门模块170，如图13A至图13D所示。水龙头还包括混合阀门140、电池模块250、涡轮模块350。
图14是用于控制水龙头10的操作的控制电子器件400的框图。控制电子器件优选地使用电容传感器50，或者可替换地使用主动式IR传感器或被动式IR传感器。主动式IR传感器包括用于发射IR光束的IR发射器420和用于检测反射的IR光的IR接收器424。被动式IR传感器使用如在PCT申请PCT/CN03/38730和PCT/US03/41303中所述的用于检测使用者的存在的被动式光学检测器，这两个申请通过引用并入。
参照图14，控制电子器件400包括由电池200提供电力的控制器402。控制器402优选地是由制造的微控制器MC9S08GT16A。微控制器执行各种优选地被下载的检测和处理算法。然而，控制器和算法还可以以专用逻辑电路、ASIC等的形式实现。控制电子器件400包括电源开关405、DC-DC转换器406、螺线管驱动器408。螺线管驱动器408把驱动信号提供给由螺线管反馈放大器412和信号调节器414监测的螺线管150。控制器402与驱动可视二极管436(例如，蓝色二极管或红色二极管，也如图3C所示)的指示器驱动器434通信，可视二极管436用于与使用者进行沟通。
如图14所示，主动式光学传感器包括给IR发射器420提供电力的IR二极管驱动器422以及从IR接收器424接收信号的IR传感器放大器426。整个操作由控制器402控制。
IR二极管驱动器422可以被设计成根据目标和环境条件逐渐地增加或减小光功率输出。这对于使用IR传感器放大器426的IR接收器来说同样适用。通常，由于一种方式足以实现该目的，所以仅使用两种方式中的一种。以下是条件的示例：如果环境太多IR明亮，则系统增强光学发射信号。如果目标太接近，诸如在私室中，该系统减小IR信号以节省电力。如果目标不足以引起IR反射，系统增强来自IR发射器520或者用于IR传感器放大器526的IR信号。
系统402使用连接至扬声器442的可选语音合成器440以提供使用者界面。连接至流量传感器446的可选流量传感器调节器444用于检测通过水龙头的水流。可替换地，传感器可以用于检测水槽中的水的溢出并且向控制器402提供信号以关闭自动水龙头。
该系统可以包括连接至天线452的可选RF收发器450，以便与远程定位的中央处理器或网络进行无线通信。本设计可以与无线连接的盥洗室水龙头和卫生用具的网络一起部署。远程定位的网络能够实现有关水龙头和用具的信息的监测和收集。水龙头和用具之间的通信优选地使用低频RF信号，而与远程定位的网络节点的通信优选地使用高频RF信号。
通常，使用有线或无线数据通信来传输信息，因为该信息与盥洗室水龙头和卫生用具的工作状态有关。传送的信息(与设备ID一起)可以包括电池电压、冲洗次数、该单元正处于运行状态(不能关闭)、无水状态(不能打开)等。使用RF收发器450和天线452，该系统可以接收信息，诸如从远程其它地方启动的命令。固定装置可以在网络方式下彼此通信。固定装置可以与近端中央单元通信，并且该单元可以把数据(有线或无线)传送到更广域的网络(如互联网)。在优选实施例中，使用者通过请求每个固定位置打开并且随后关闭来启动宽定位(location wide)诊断任务。反过来，每个固定装置报告成功/不成功操作。固定装置还可以报告其它变量，如电池电压、冲洗次数等。使用者随后采集信息并且根据结果计划维护安排。这对于在机构(诸如会议中心、棒球场等)中保养人员当前派工作人员在有事发生前去监测固定装置的工作状态并且手动做记录的情况中尤其有益。
根据另一个实施例，控制电子器件包括微处理器，该微处理器是Toshiba制造的8位CMOS微控制器TMP86P807M的微控制器。该微控制器具有8K字节的程序存储器和256字节的数据存储器。使用具有通用PROM编程器的Toshiba适配器套接字实现编程。微控制器工作在三个频率(fc＝16MHz，fc＝8MHz和fs＝332.768kHz)下，其中第一和第二个时钟频率用于正常模式，第三个频率用于低功率模式(即，睡眠模式)。微控制器工作在各种动作之间的睡眠模式下。为了节省电池电力，微控制器针对输入信号周期性地对光学传感器进行采样，并且随后触发功耗控制器。功耗控制器对信号调节器和其它元件通电。不同地是，光学传感器单元、电压调节器(或升压器)和信号调节器没有被通电从而节省电池电力。在操作期间，微控制器还把指示数据提供给指示器，例如，可视二极管或扬声器。控制电子器件可以从上述被动式光学传感器或主动式光学传感器接收信号。低电池检测单元可以是可从MicrochipTechnology得到的型号为TC54VN4202EMB的低电池检测器。电压调节器可以是同样可从Microchip Technology(http://www.microchip.com)得到的型号编号为TC55RP3502EMB的电压调节器。微控制器可替代地是可从National Semiconductor得到的零件编号为MCUCOP8SAB728M9的微控制器。
水龙头可以包括单独地或与水涡轮结合的一个或几个光电电池单元435，以便产生与接收的光量成比例的电压。当系统400通电并且开始操作时，该系统注册该电压并且随后继续监测电压。首次通电时，如果光电电池单元没有输出电压，这意味着黑暗环境并且因此该单元标记时间并在预定量时间内计数。如果时间足够长，如数小时和几天，并且在相同时间段内没有检测到目标，则水龙头系统被通电，但是没有人在使用盥洗室(即，灯被关闭)，因此该系统进行节电模式。在该模式中，系统以低得多的频率扫描目标以节省电池电力。该系统还可以停止或放缓其它功能，如扫描超驰按钮、电池电压等。光电电池单元的使用在2008年7月3日提交的PCT申请PCT/US2008/008242中进行了描述，该申请通过引用并入。
图15是用于控制图1所示的水龙头的操作的控制电路的另一个实施例的框图。
图16A至图16G是图15的框图所示的控制电路的电路图。
图17使用状态图200示出水龙头操作。处理器通过首先执行所有初始化而执行算法，使中断设置为通电(状态501)。接下来，在所有电源检查状态下检查所有电源的电力(状态506)。如果存在电池A/D错误或者微控制器耗尽外部电力，则算法再次进入状态501(转变504)。另外地，对于正常电力水平并且如果不存在螺线管启动，则算法(通过转变512)进入大电容充电控制(状态518)。
在状态506，如果存在正常电力水平并且如果存在螺线管启动，则算法进入(508)螺线管打开计时器控制(状态510)。在不再检测到目标之后或者在预先选定时间段之后(520)，算法进入关闭螺线管状态(状态524)。其后，算法(经过转变526)转变至大电容充电控制(状态518)。自从大电容充电控制(状态518)，算法(经过转变528)转变至电容传感器控制(状态530)。
在电容传感器控制(状态530)中，系统执行目标检测，并且当未检测到目标且螺线管启动时，系统转变(转变534)至红LED闪烁控制(状态550)。可替换地，当检测到目标时(图22和图22A)，系统转变(转变536)至打开螺线管状态(状态540)，其中螺线管打开。可替换地，当目标在螺旋管打开时处于检测区域之外时，系统转变(转变532)回到关闭螺线管状态(状态524)，其中螺线管被关闭。另外地，当没有感测活动时，并且没有LED闪烁且不需要第二电池检查时，系统从状态530(经过转变538)转变至睡眠状态(状态570)。自从红LED闪烁控制状态(状态550)，在存在LED闪烁和需要第二电池检查之后系统转变(转变552)至睡眠状态(状态570)。然而，如果标记设置为第二电池检查，系统转变(转变556)至第二电池检查控制状态(状态560)。此外，在打开螺线管状态(状态540)之后，需要第二电池检查，则系统转变(转变546)至第二电池检查控制状态(状态560)，并且之后，在电池检查完成之后，系统转变(转变554)至睡眠状态(状态570)。
在每次唤醒之后，系统从睡眠状态(状态570)转变(转变574)至所有电源检查状态(状态506)。如果不存在涡轮电力、或者没有电池电力(或者低电池电力小于3.7V10分钟)、或者没有太阳能，则系统转变(转变572)回到睡眠状态(状态570)。
图18是示出控制电路的电力管理的流程图。系统周期性地检查电池电力、来自涡轮的电力和可选的由光电电池单元提供的电力。图19、图19A、图19B、图19C和图19D示出控制电路的电力管理。
图20是示出用于为控制电路提供电力的电池接触控制的流程图。
图21是示出用于感测在图1或图9所示的水龙头喷口处出现的目标的算法的流程图。
为了控制水龙头操作，系统执行容性感测操作。从通电或任何类型的复位开始，系统首先执行自校准和初始化，然后用作状态机。在从其睡眠唤醒之后，系统扫描电容传感器以得到当前原始数据，更新基线，之后，系统基于其当前状态执行相关任务。在完成当前任务之后，处理器将再次进入睡眠。
校准过程包括几个过程：“标准化原始数据”、“环境检查”和“确定水效应”。标准化原始数据在动态范围(接近11500的范围)内调节原始数据。环境检查确定噪声水平处于预定范围中，如果不是，系统使LED闪烁并且保持监测噪声水平直到其落在预定范围内。如果系统保持在该阶段，则表示系统不适于该环境，如图21A所示。确定水效应打开水以确定水效应并且判定这是否是1.5/0.5GPM喷口/压头。它仅仅是初始值，系统在其正规操作期间将对此进行自动更新。当校准完成时，系统第二次打开水以表示系统准备好使用。
系统使用总共8个状态：TARGETCLEAR,INVERIFY,TOUCHED,TARGETSET,OUTVERIFY,PROHIBITION,PAUSE和CLEAN。系统在任何给定时间将处于这些状态中的一个状态且仅仅一个状态下。
在TARGETCLEAR状态下，目标信号总是被清除。系统更新信号阈值，监测噪声水平并且确定信号阈值和将要验证作为目标的信号的数量。如果当前数据和基线的差大于信号阈值，并且数据连续增加超过某个值，则系统进入INVERFY状态并且加速扫描。在INVERIFY状态下，如果数据验证处于该状态下则将设置目标信号。系统判定何时需要设置目标信号。如果信号数据超过信号阈值并持续预定时间，则系统打开目标信号并且进入TARGETSET状态，并且存储当前原始数据作为用于判定何时目标移去的一部分参考。如果这在30秒内触发了5次，则系统进入PAUSE状态。
在TOUCHED状态下，在已接触目标5秒之后则清除该目标信号。系统确定清除目标信号并且在接触目标超过5秒的情况下清除目标信号。系统判定从接触至未接触做什么。如果接触超过5秒，系统则进入CLEAN状态。如果接触小于5秒，则系统返回至TARGETSET状态。
在TARGETSET状态下，总是设置目标信号。系统在首次2秒期间校准水效应，并且确定水效应值，之后设置下面的参数：
·出水时间的信号阈值；以及
·出水的参考值，其将要用于判定目标是否已移走。系统判定是否需要进入OUTVERIFY状态。
如果下面情况中任一种出现，则系统进入OUTVERIFY状态：
·运行时间结束
·原始数据在预定范围之上未发生变化
·信号数据小于信号阈值
·原始数据低于就在打开水之前预定的参考。
在OUTVERIFY状态下，如果信号已验证则将清除目标信号。系统追踪水运行时间并且如果水运行时间结束则清除目标信号，系统进入PAUSE状态。系统判定数据是否稳定且在数据处于预定范围内持续1.5秒时清除目标信号，之后进入状态PROHIBITION。系统判定数据是否落在参考值之下，当数据处于预定范围内持续1.5秒时清除目标信号，之后进入状态PROHIBITION。系统判定数据是否在信号阈值之下，当数据处于预定范围内持续1秒时清除目标信号，之后进入状态PROHIBITION。
在PROHIBITION状态下，总是清除目标信号。系统判定何时走出该状态。如果系统已在该状态下持续预定最小关闭时间，则系统将进入TARGETCLEARED状态。
在PAUSE状态下，总是清除目标信号。系统判定何时退出该状态。如果系统已在该状态下持续预定时间，则系统将进入TARGETCLEARED状态。在CLEAN状态下，总是清除目标信号。系统判定何时退出该状态。如果系统已在该状态下持续预定时间，则系统将进入TARGETCLEARED状态。
参照图14和图15，电容检测器处理器465每5秒使用从高到低的Heart Beep脉冲与微控制器处理器402通信，以表明其处于良好状态。在按下状态，当端口2.5为低时系统停止扫描以节省电力。在请求LED电力时，系统设置端口1.5为低以表明其需要电力以打开LED。
图22是示出用于打开水的目标感测的流程图，以及图22A是示出用于在图21C的流程图中关闭水的目标感测的流程图。针对接近和接触电容式传感器(例如由CypressSemiconductor制造)描述该算法。然而，该算法还适用于使用光源的主动式IR传感器以及检测来自使用者的反射信号的光检测器。目标检测算法(以及本文中描述的任何算法)可以嵌入设计芯片中或者可以下载至相应处理器。
参照图22，用于“打开水”的目标检测算法开始于目标清除状态(水关闭)。
·以8Hz扫描传感器以读出传感器数据
·信号＝当前原始数据-基线
·如果信号>阈值，则进行至验证状态
·在验证状态下，阈值增加5
·在验证状态下，阈值增加5
·如果信号>阈值连续超过“验证”次数，打开水
·阈值和“验证”次数动态地更新如下：
对于过去的5秒：
噪声水平＝最大原始数据-最小原始数据
如果噪声水平为低
阈值＝高灵敏度水平
验证＝3
如果噪声水平为中
阈值＝中灵敏度水平
验证＝4
如果噪声水平为高
阈值＝低灵敏度水平
验证＝5
·在“验证”<验证阈值下，扫描传感器以读出传感器数据。
参照图22A和图22A-I，在水打开之后用于“关闭水”的目标检测算法开始。
·一旦水打开，将保持打开至少一秒，即使目标立刻离开。
·目标阈值将设置为：
阈值＝触发时的目标信号+水效应-15
·使用三个计数器来确定目标离开。
计数器1将对小于阈值的信号的数进行计数
计数器2将对未变化的信号的数进行计数
计数器3将对信号减小的数进行计数
·如果当前信号小于阈值，则计数器1增加1，否则计数器2复位为0。
·稳定参考初始化为第一信号数据。如果当前信号与稳定参考之间的差小于预定范围，则计数器2增加1，否则计数器2复位为0，且稳定参考复位为当前信号。
·如果当前信号小于先前信号，则计数器3增加1，并且减小的值增加至减小的总信号，否则，计数器3复位为0，并且减小总量复位为0。
·如果计数器1大于8，或者计数器2大于16，或者计数器3大于8，减小的总信号大于45，或计数器3大于12。关闭水，如图22A-I所示。
·在水关闭之后，阈值复位为15。
上述感测算法克服了与电容式接近感测相关的几个问题。在电容信号中，感测区域不确定，特别是当水正流动且人手仅仅是电容源的一部分时。信号/噪声比不足够大，并且噪声可以造成错误检测。对于不同电力供应源(例如，电池或电力适配器)信号强度变化。为了克服这些问题，感测算法基于真实应用环境自动校准基线。感测算法保持追踪噪声信号水平和因此适用信号阈值。感测算法追踪信号趋向(不仅仅是强度)以确定人手的出现。此外，感测算法针对不同电力供应源使用独立的参数。
水龙头可以使用备选光学收发器，该收发器在美国专利US5,979,500或美国专利US5,984,262描述，并且还在同时待审的美国申请10/012,252和10/012,226中描述，所有这些申请通过引用并入。微控制器由National Semiconductor制造的微控制器COP8SAB和COP8SAC，或者由Toshiba制造的微控制器TMP86c807M。为了节省电力并且显著延伸电池操作，唤醒周期比睡眠周期短得多。取决于控制器模式，睡眠时间可以是100毫秒、300毫秒或者1秒。
通过以从水龙头发出的水集束的形式向使用者提供信号的新颖的“突发接口”，使电子水龙头还与使用者通信。可替换地，电子水龙头可以包括新颖的光学或声学接口。电子水龙头设计成当例如物体永久地位于水槽中时防止浪费水。

Claims (21)

1.一种自动水龙头，包括：
壳体，其构造成接收至少一个进水口管道并且具有用于输送水的喷口；
阀门模块，其包括受到电磁致动器控制的阀门，用于对出自所述喷口的水流进行控制；
涡轮模块，包括水涡轮，其构造成产生电力；
电池模块，其构造成提供电力；以及
控制模块，其构造成通过向所述电磁致动器提供信号而控制所述阀门的打开和关闭，所述控制模块构造成执行电力管理算法，所述电力管理算法用于对由所述水涡轮产生且提供至电池和来自所述电池的电力进行管理。
2.如权利要求1所述的自动水龙头，其中所述控制模块构造成执行所述电力管理算法，周期性地检查生成的AC电力和电池电力，以更好地工作和为所述电池进行充电。
3.如权利要求1所述的自动水龙头，还包括电容式传感器，并且所述控制模块构造成接收来自所述传感器的传感器数据，并且执行感测算法，以确定使用者的存在并且向所述电磁致动器提供信号。
4.如权利要求3所述的自动水龙头，其中所述电容式传感器包括接触电容式传感器。
5.如权利要求3所述的自动水龙头，其中所述电容式传感器包括接近电容式传感器。
6.如权利要求1所述的自动水龙头，还包括有源红外传感器，所述有源红外传感器包括红外发射器和检测器，并且所述控制模块构造成接收来自所述传感器的传感器数据，并且执行感测算法，以确定使用者的存在并且向所述电磁致动器提供信号。
7.如权利要求1所述的自动水龙头，还包括无源红外传感器，所述无源红外传感器包括红外发射器，并且所述控制模块构造成接收来自所述传感器的传感器数据，并且执行感测算法，以确定使用者的存在并且向所述电磁致动器提供信号。
8.如权利要求1所述的自动水龙头，其中所述阀门模块和所述控制模块位于控制系统单元内，所述控制系统单元位于水槽的顶部表面的下面。
9.如权利要求8所述的自动水龙头，其中所述控制系统单元包括用于连接所述进水口管道的快速连接配件。
10.如权利要求9所述的自动水龙头，其中所述控制系统单元使用壁板被安装在壁上。
11.如权利要求1所述的自动水龙头，其中所述水涡轮和所述控制模块设计用于测量所述水龙头的水流速度。
12.如权利要求1所述的自动水龙头，其中所述水涡轮和所述控制模块设计用于检测所述水龙头的故障状态。
13.如权利要求3所述的自动水龙头，其中所述控制模块构造成执行感测算法，所述感测算法利用来自所述传感器的传感器数据，所述感测算法保持追踪噪声信号水平并且动态地适用信号阈值，所述感测算法对信号趋向进行追踪以确定使用者的存在。
14.如权利要求1所述的自动水龙头，包括用于向使用者指示状态的指示器。
15.如权利要求14所述的自动水龙头，其中所述指示器包括LED二极管。
16.一种包括水涡轮的自动水龙头，该水涡轮位于从所述水龙头排出的水流中，所述水涡轮包括转子、磁铁、定子和电线圈，所述转子包括耦接至转子叶片的推进器，所述转子叶片位于水通路内并且位于旋转轴上，所述电线圈构造且布置成产生电力，所述磁铁滑过所述推进器并且通过塑料销固定。
17.如权利要求16所述的包括水涡轮的自动水龙头，还包括可插入喷嘴，其被构造和设计为将水传输到所述转子叶片并且对从水龙头排出的水流速进行优化。
18.如权利要求17所述的包括水涡轮的自动水龙头，还构造且布置成检测离开水龙头的微量水。
19.如权利要求17所述的包括水涡轮的自动水龙头，还构造且布置成通过读取生成的AC信号频率来检测离开水龙头的水的流速。
20.如权利要求17所述的包括水涡轮的自动水龙头，其中所述水龙头由自动传感器致动并且还构造和布置成基于来自所述水涡轮的信号检测水龙头内部元件的故障。
21.如权利要求17所述的包括水涡轮的自动水龙头，其中所述转子附接至所述磁铁由此使所述磁铁旋转地位移，并且其中所述电线圈相对于所述定子是固定的。
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