CN113531397B - 一种节水型智能恒温恒流洗浴系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其首先可以将热水管道中的低于预设温度T0的存水导入到存水箱2中，待到热水管中热水温度超过预设温度T0时，再将存水箱2中的水导出和热水与冷水进行混合，起到节水的效果；利用算法控制热水管阀门及冷水管阀门对液体进行温度控制，达到对洗浴时控制水温恒定的效果，混合的算法运用到位置型双对象三级串行PID控制算法；本系统中利用小型加压泵7控制洗浴时花洒的液体的流速，达到控制水流速度恒定的效果，其中控制流速时运用到增量型PID控制算法。此外本系统采用低功耗的蓝牙5.0芯片作为无线数据传输介质，便于接入智能家居系统及智能手机等设备，且具有警示功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种节水洗浴系统，具体涉及一种节水型智能恒温恒流洗浴系统。
背景技术
目前在以中国南方为代表的地区在家庭洗浴及其他需要热水清洗的实际生活运用中，由于热水管中具有大量的低温存水，所以在洗浴之前会放掉大量的冷水，从而造成水资源浪费。其次，在调节合适温度的水温时也会造成大量的水资源浪费，且由于家用热水器所提供的热水温度会有波动会造成洗浴时的水温产生波动；还有由于家用洗浴系统是基于传统的机械混合阀，出水流量受管内水的压强影响，在家庭其他地方用水或者其他原因引起水的压强发生变化时，洗浴的温度和流速都会受到较大的影响，非常影响洗浴的体验。专利号CN 108589834A的专利提出了一种智能节水型一键启动恒温洗浴系统，将管道内冷水引入到一个储水箱与热水混合后，通过引射式混流器将该部分水引流到主管道进行再利用；同时，本系统还采用了单片机控制冷、热水低压电磁阀，通过温度传感器闭环控制洗浴温度，用户只需设定洗浴温度即可洗浴，无需等待；本系统还包括WIFI模块，WIFI模块可以将洗浴进行上传，便于智能家居系统的控制，解决了洗浴系统沐浴前需要放冷水、水资源浪费、系统体验不佳的问题。该装置在设计上仍不够完善，如对于水流恒定没有相应控制，且对于水温控制仅采用单闭环控制，无法将温度与水流速度的控制串联起来，基于此，对于智能洗浴系统的控制系统及方法仍需要改进。
为此，本发明提出了一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其首先可以将热水管道中的低于预设温度T0的存水导入到存水箱2中，待到热水管中热水温度超过预设温度T0时，再将存水箱2中的水导出与热水管中的热水与冷水管中的冷水进行混合，起到节水的效果；利用算法控制热水管阀门及冷水管阀门对液体进行温度控制，达到对洗浴时水温恒定的控制效果，混合的算法运用到位置型双对象三级串级PID控制算法；本系统中利用电动引流阀45控制洗浴时花洒的液体的流速，达到对洗浴时水流速度恒定的控制效果，其中控制流速时运用到增量型PID控制算法。此外本系统采用低功耗的蓝牙5.0芯片作为无线数据连接介质，便于接入智能家居及智能手机等设备。且当热水管温度降低到一定程度或者检测到系统运行错误时会向用户提前报警。
综上，本发明解决了家庭洗浴装置中热水管中水资源浪费的情况，可以通过算法控制多级阀门达到洗浴时热水恒温恒流的效果，具有新颖性及创造性。
发明内容
为了解决上述洗浴装置存在的问题，本发明提出了一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其首先可以将热水管道中的低于预设温度T0的存水导入到存水箱2中，待到热水管中热水温度超过预设温度T0时，再将存水箱2中的水导出与热水管中的热水、冷水管中的冷水或直接导入混合腔进行混合，起到节水的效果；利用算法控制热水管阀门及冷水管阀门对液体进行温度控制，达到对洗浴时水温恒定的控制效果，混合的算法运用到位置型双对象三级串级PID控制算法；本系统中利用电动引流阀45控制洗浴时花洒的液体的流速，达到对洗浴时水流速度恒定的控制效果，其中控制流速时运用到增量型PID控制算法，在该节点的PID控制算法的输入误差为混合腔6中液体的液位。此外本系统采用低功耗的蓝牙5.0芯片作为无线数据传输介质，便于接入智能家居及智能手机等设备。且当热水管温度降低到一定程度或者检测到系统运行错误时会向用户提前报警。
为实现上述目的，本发明提出了一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，该节水型智能恒温恒流洗浴系统包括热水管接口11，冷水管接口12，冷水管出口处13，热水管出口处14，三通接口15、16、17、18，四通接口19，存水箱2，主控制器盒3，低压电磁阀41、42、43，电动引流阀44、45，单向阀46，温度传感器51、52、53、54，压力传感器55、56、57、58，液体流速传感器59，混合腔6，淋浴喷头机构7，电路控制箱8。
本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，电路控制部分主要分为主控制器盒3、电路控制箱8、以及电动阀门41～45和一些实施例中混合腔6内部的搅拌电机、各类传感器51～59；其中所述主控制器盒3主要负责显示和输入信息和洗浴温度流速等信息；所述电路控制箱8主要负责采集传感器的信息，控制和驱动电动阀门41～45和一些实施例中混合腔6内部的搅拌电机等。为了便于安装与使用，所述本发明所述的电路控制箱8和主控制器盒3采用不同的电源供电，且所述电路控制箱8和主控制器盒3两部分装置彼此分离，所述电路控制箱8随本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统装置主体安装于墙面上，所述主控制器盒3则独立于系统内其他装置，且采用移动便携式电源供电，便于安装；所述两部分装置间采用无线数据传输的方式进行数据交换。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3包括人机交互显示屏31、输入矩阵键盘32、主控电路板33、电池34、电池盒35，所述人机交互显示屏31可以提供人机交互界面用于显示和输入信息、洗浴温度流速信息和显示时间信息等；所述输入矩阵键盘32用于输入和设定系统参数，如设定洗浴温度，洗浴流速等；所述主控电路板33是以单片机为核心的控制电路，包括单片机最小系统、基本外设电路、滤波电路、接口电路(包括矩阵键盘接口、USART、SPI等通信总线接口)等功能电路及无线通讯模块等；所述电池34为普通电池，作为优选的，可选用七号电池从而减小体积；所述电池盒35是整个主控制器盒3的支撑机架，底部拥有开槽可以放电池，并将其限位，中间留有存放主控电路板33的空间，上端口有卡扣，可以与人机交互显示屏41和输入矩阵键盘42组成的机盖卡死。如图13所示为人机交互显示屏31、矩阵按键32两部分组成的机盖的模拟图。
如图22所示所述电路控制箱8包含主控制器部分81，传感器信号接收处理部分82，驱动部分83，无线通讯部分84，电源电路部分85等部分；所述主控制器部分81主要负责接收无线通讯部分84的相关控制信号和处理传感器采集回来的信号，并输出相关的控制信号等；传感器信号接收处理部分82负责采集传感器51～59的温度、压强、流速等信息，并做好初步的数据滤波等处理；驱动部分83负责控制和驱动电动阀门41～45和一些实施例中混合腔6内部的搅拌电机等；无线通讯部分84负责与主控制器盒3进行数据通讯，接收主控制器盒3的相关控制信息，并向其输出一系列的洗浴信息，如当前洗浴温度、流速、剩余洗浴时间等；电源电路部分85负责管理所述电路控制箱8的电源部分，作为优选的，可选用家用220V交流电供电，由于本发明所述电路控制箱8及电动阀门41～45和一些实施例中混合腔6内部的搅拌电机等所需要的电源为1.8V～24V的各级低压电源供电，所以需要对220V的交流电源通过斩波、降压、稳压等过程将电源进行处理。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3、电路控制箱8采用低功耗的蓝牙模块或其他无线通讯模块如WIFI模块，ZigBee模块，UWB模块，NRF模块或CAT1、NB-IOT、GPRS等无线通讯技术进行数据通信，作为优选的本装置可采用低功耗的蓝牙5.0无线传输模块。本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3可以通过如上所述的无线通信方式与其他智能家居产品进行数据交互，如利用蓝牙通信技术控制浴室的浴霸灯和排气扇进行相关温度空气等调控，或上传相关洗浴数据到智能家居中控系统或智能手机终端。
如图17所示为两种四通接口的四个端口标号示意图；如图18所示为三通接口的各个端口标号示意图。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的淋浴喷头机构7包括淋浴蓬头71、软管接头72、软管73、软管接头74；如图21所示为淋浴喷头机构7结构示意图。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的混合腔6包括：混合腔上腔61、混合腔下腔62、混合腔叶片63、混合腔外壳腔体64，如图15所示为本发明混合腔6的剖面图。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的存水箱2包括：存水箱进水口21、存水箱出水口22、存水箱箱体23；作为优选的，可以在其上端开口或安装平衡内外压强的装置。
本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的电动引流阀44是为了解决存水箱2内的水流出的压强不够的问题；所述的电动引流阀45是为了解决传统混合阀门由于水压波动而造成水流不恒定的情况。作为优选的电动引流阀44、45可以采用小型低功率增压泵。
如图3、图6、图9、图12所示所述温度传感器51放置于热水管出口处13之前，温度传感器52放置于冷水管出口处14之前，温度传感器53放置在存水箱2内，温度传感器54放置在混合腔6内，压力传感器55放置于热水管出口处13的底部，压力传感器56放置于冷水管出口处14，压力传感器57放置于存水箱2，压力传感器58放置于混合腔6底部，液体流速传感器59放置于电动引流阀45后端与淋浴喷头机构7的软管接头74相连。
预设温度记作T0，预设洗浴流速记作V0；温度传感器51测量的热水管出口处13液体温度记作T1，温度传感器52测量的冷水管出口处14液体温度记作T2，温度传感器53测量的混合腔6内液体温度记作T3；液体流速传感器59测量的实际洗浴流速记作V3，V0、V1、V2分别为由算法计算出的热水冷水混合后的总流速和热水管出口处13、冷水管出口处14的期望流速，热水管出口处13、冷水管出口处14的实际流速用V1实际、V2实际表示；压力传感器55测量的存水箱2液体压强记作P0，压力传感器56测量的热水管出口处15液体压强记作P1，压力传感器57测量的冷水管出口处14液体压强记作P2，压力传感器57测量的混合腔6内液体压强记作P3；由于压强与流速成正比的关系，作为优选方案的，可以利用两个水管内的压强来近似等效换算流速，即
由于压强与液体高度成正比的关系，作为优选方案的，可以利用混合腔6内液体压强近似等效换算混合腔6内液体的液面高度，即
由算法计算得出的混合腔6内液体的液面期望高度记作H0。
所述对于控制流速时运用到增量型PID控制算法作用于电动引流阀45，在该节点的PID控制算法的输入误差为混合腔6中液体的液位，输出为电动引流阀45的输出增压功率的增量。增量式PID控制将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，是一种递推式的算法。运用增量型PID控制算法的优点是控制量输出较为平缓，抗干扰能力强。综上，增量型PID控制算法符合该节点的控制需求，所述增量型PID控制算法公式为
所述对于热水管及冷水管控制的位置型双对象三级串级PID控制算法原理如下：
如图23所示为所述位置型双对象三级串级PID控制算法原理图，所述的控制算法中提到的双对象是指热水管阀门的开合大小，利用三级双控制对象串级PID控制算法实现对于温度流速的恒定控制。该算法主要可以分为三个等级的控制环：第一级为最外环，是由预设的洗浴流速与实际流速之差估算出混合腔的期望液位高度；第二级为中间环，由混合腔的期望液位高度与实际液位之差估算出热水与冷水混合后的期望流速(通过压力检测传感器检测压强经过解算得到液位高度)；第三级为最内环，首先由热水与冷水混合后的期望流速和混合腔的实际温度以及冷水管与热水管的液体温度及流速将两个控制对象的输入误差分离，分离后输入误差为热水与冷水的期望流速，再由热水的期望流速与实际流速之差估算热水管控制阀门的开合量，由冷水的期望流速与实际流速之差估算冷水管控制阀门的开合量。每一级的控制原理如下：
第一级：在该节点的PID控制算法的第一级输入误差为预设的洗浴流速与实际流速之差V0-V3，输出为期望的混合腔液位高度H0，第一级的运行公式如下：
第二级：第二级输入误差为混合腔液位期望高度减去实际液位高度H0-H1，输出为期望的混合水流速度V0，第二级的运行公式如下：
由于P＝ρgh，则有
即作为优选的，可以通过压力检测传感器检测压强经过解算得到液位高度，由此
第三级：第三级的初始输入误差为热水和冷水混合后的总流速V0，由于需要在热水及冷水在混合腔6内达到预期的控制温度；由于水的比热容是恒定的，则对于温度与流速之间的关系可以列出如下关系式：
V0＝V1+V2
V0T0＝V1T1+V2T2
联立可求得
即把双对象的输入误差分离，则有：
第三级控制对象1(热水管阀门开合量)：
同理，第三级控制对象2(冷水管阀门开合量)：
其中，e31(t)＝V1-V1实际，e32(t)＝V2-V2实际
作为优选的，由于在阀门开合量一定时，流速与管内压强呈一次函数特征，则V1实际和V2实际可以由阀门开合量的初态乘以管内的液体压强P1，P2再乘以系数k来近似等效；
即
值得注意的是，在本发明涉及到的三级串级PID算法中应该尽量减小第一级和第二级的积分和微分系数。因为虽然从时域来看，微分的引入可以增加系统的阻尼比并改善系统的动态特性；但是从频域来看微分项的引入会增加系统高频段的幅值，这会放大输入信号中的高频噪声，会降低控制器的性能；三个微分项串联更会加剧这一影响。同样的，控制器的滞后主要来源于积分项，三个积分项串联更会加剧滞后，使控制器的性能下降。
作为本发明的一种优选方案，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的混合腔6可采用图15所示的方案，其是以电动搅拌的方式使得冷水与热水混合均匀，避免造成冷热不均的现象从而降低洗浴体验。
作为本发明的一种优选方案，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的混合腔6垂直安装于墙面，其可采用图16所示的方案，即是以混合腔6上部带有机械传动叶轮使得混合腔6下部的水已经混合均匀；如图16所示，水流流入时方向为水流方向1，水流垂直进入混合腔上腔体61；如上所述垂直流动的水流会产生垂直向下的推力F，所述推力F作用于叶片叶轮机构63上可以推动叶轮旋转从而带动水流按照水流方向2流动，达到利用机械能和势能使水流均匀混合的效果。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的温度传感器51～54可以选用DS18B20数字温度传感器，压力传感器55～58可以选用FSR402电阻式薄膜压力传感器，液体流速传感器59可以选用涡轮流量计传感器。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的低压电磁阀41、42、43，电动引流阀44、45等所有电子器件均为低压元器件，额定电压为24V以下；且所述的节水型智能恒温恒流洗浴系统，涉及到的所有传感器电路，控制电路及电源等电路均做了防水处理，具有良好的防水防潮性能，从根源上杜绝了触电。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3采用移动便携式电源，特别优选的可以采用普通7号电池作为电源；所述电路控制箱8采用家用220V电源供电，经过斩波、降压稳压处理后提供1.8V～24V的各级低压电源供电。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3、电路控制箱8采用低功耗的蓝牙模块或其他无线通讯模块如WIFI模块，ZigBee模块，UWB模块，NRF模块或CAT1、NB-IOT、GPRS等无线通讯技术，作为优选的本装置可采用低功耗的蓝牙5.0无线传输模块。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的主控制器盒3可以通过如上所述的方式与其他智能家居产品进行数据交互，如利用无线通信技术控制浴室的浴霸灯和排气扇进行相关温度空气等调控。
作为本发明的进一步优化，可以对本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的位置型双对象三级串级PID控制算法的最终输出作一阶低通滤波处理，可以有效去除其由高阶积分环节产生的高频杂波从而提高控制的精度。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的低压电磁阀41～43可采用低压电磁阀2231008BCR，该型号的运行功率较小，适合长时间使用。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的电动引流阀44、45可采用电动引流阀J011S-1.0-10-F，该型号的电动引流阀具有功耗低使用寿命长久等特点，运行功率低于20W。
作为本发明的进一步优化，本发明所述一种节水型智能恒温恒流洗浴系统所述的所有水管可采用保温性能良好的水管。
本发明一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的有益效果为：
1、本发明所设计的系统可以回收利用热水管内的低温存水，避免了水资源的浪费；
2、本发明所设计的系统可以实现洗浴温度及流速的恒定控制，极大的改善了洗浴体验；
3、本发明所设计的系统可以通过蓝牙的通讯方式接入其他智能设备终端，如智能手机等；
4、本发明所设计的系统可以通过蓝牙的通讯方式将洗浴设备的相关数据上传到智能家居系统中，同其他设备做交互；
5、本发明所设计的系统可以通过智能设备、人机操作界面(主控制器盒3)等进行操作，控制方式多样；
6、本发明所设计的系统操作简单、使用方便且贴合生活实际，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例1主要机构连接图；
图3是本发明实施例1各传感器安装位置图；
图4是本发明实施例2结构示意图；
图5是本发明实施例2主要机构连接图；
图6是本发明实施例2各传感器安装位置图；
图7是本发明实施例3结构示意图；
图8是本发明实施例3主要机构连接图；
图9是本发明实施例3各传感器安装位置图；
图10是本发明实施例4结构示意图；
图11是本发明实施例4主要机构连接图；
图12是本发明实施例4各传感器安装位置图；
图13是本发明所述的主控制器盒3的机盖模拟正视图；
图14是本发明所述的主控制器盒3的剖面图；
图15是本发明混合腔6的剖面图；
图16是本发明优化后的混合腔6剖面水流方向示意图；
图17是本发明所述的两种四通接头的接口示意图；
图18是本发明所述的三通接头的接口示意图；
图19是本发明所述的弯头结构示意图；
图20是本发明所述的不同长度的等口径水管示意图；
图21是本发明所述的淋浴喷头机构7结构示意图；
图22是本发明所述的电路控制箱8的电路模块示意图；
图23是本发明所述的位置型双对象三级串级PID控制算法原理图。
主要元件符号说明如下：
冷水管接口11
热水管接口12
冷水管出口处13
热水管出口处14
三通接口15、16、17
四通接口19
存水箱2
存水箱进水口21
存水箱出水口22
存水箱箱体23
主控制器盒3
人机交互显示屏31
输入矩阵键盘32
主控电路板33
电池34
电池盒35
低压电磁阀414243
电动引流阀4445
单向阀46
温度传感器51、52、53、54
压力传感器55、56、57、58
液体流速传感器59
混合腔6
混合腔上腔61、
混合腔下腔62、
混合腔叶片63、
混合腔外壳腔体64
淋浴喷头机构7
淋浴蓬头71
软管接头72
软管73
软管接头74
电路控制箱8
主控制器部分81
传感器信号接收处理部分82
驱动部分83
无线通讯部分84
电源电路部分85
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。下面结合附图和四个实施例对本发明作进一步详细描述。
应当注意的是如下实施例中所述的两元件端口经过水管相连的方式，其代表着通过如图18、图19所示的具有相同标称直径的弯头和水管对不同元件的端口进行连接。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的实施例1包括热水管接口11，冷水管接口12，冷水管出口处13，热水管出口处14，三通接口15，四通接口19，存水箱2，主控制器盒3，低压电磁阀41、42、43，电动引流阀44、45，单向阀46，温度传感器51、52、53、54，压力传感器55、56、57、58，液体流速传感器59，混合腔6，淋浴喷头机构7，电路控制箱8和用于连接各机构的水管、弯头若干。
如图2、图17、图18所示，本发明所述的热水管接口11一端与家用的洗浴热水管接口相连接，另一端经过水管与三通管15端口1相连，所述三通接口15端口2经过水管与低压电磁阀41进水口相连，所述三通接口15端口3经过水管与低压电磁阀42进水口相连，所述低压电磁阀41出水口经过水管与单向阀46进水口端相连，所述单向阀46出水口端经过水管与存水箱进口21相连，所述存水箱出口22经过水管与电动引流阀44进水口相连；本发明所述的冷水管接口12一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，另一端经过水管与低压电磁阀43进水口相连；所述低压电磁阀42出水口经过水管与四通接口19的端口1相连，所述电动引流阀44出水口经过水管与四通接口19的端口2相连，所述低压电磁阀43出水口经过水管与四通接口19的端口4相连，所述四通接口19的端口3经过水管与混合腔6上端接口相连。所述混合腔6下端接口经过水管与电动引流阀45进水口相连；所述电动引流阀45出水口经过水管与淋浴喷头机构7相连。
如图3所示，所述温度传感器51、压力传感器55安装于热水管与三通管15的端口1处，所述温度传感器52、压力传感器56安装于低压电磁阀43进水口处，所述温度传感器53、压力传感器57安装于存水箱2底部，所述温度传感器54、压力传感器58安装于混合腔6底部接口处，所述液体流速传感器59安装于电动引流阀45出水口后。
实施例所述回收管内存水的方式是当热水管存水温度T1<T0时，打开低压电磁阀41向存水箱2放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭低压电磁阀41，当存水箱2内存水放光之前，开启低压电磁阀42、电动引流阀44，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、电动引流阀44将存水箱2中的存水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果。当压力传感器57检测到存水箱2内存水放光则关闭电动引流阀44，开启低压电磁阀43，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、43将冷水管中的冷水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出。
实施例2
如图4所示，本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的实施例2包括热水管接口11，冷水管接口12，冷水管出口处13，热水管出口处14，三通接口15、16、17，存水箱2，主控制器盒3，低压电磁阀41、42、43，电动引流阀44、45，单向阀46，温度传感器51、52、53、54，压力传感器55、56、57、58，液体流速传感器59，混合腔6，淋浴喷头机构7，电路控制箱8和用于连接各机构的水管、弯头若干。
如图5、图17所示，本发明所述的热水管接口11一端与家用的洗浴热水管接口相连接，另一端经过水管与三通管15端口1相连，所述三通接口15端口2经过水管与三通接口16端口2相连，所述三通接口15端口3经过水管与单向阀46进水口相连，所述单向阀46出水口经过水管与低压电磁阀41进水口端相连，所述低压电磁阀41出水口端经过水管与存水箱进口21相连，所述存水箱出口22经过水管与电动引流阀44进水口相连；所述电动引流阀44出水口经过水管与三通接口16端口1相连，所述三通接口16端口3经过水管与低压电磁阀42进水口端相连；本发明所述的冷水管接口12一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，另一端经过水管与低压电磁阀43进水口相连；所述低压电磁阀42出水口经过水管与三通接口17端口1相连，所述低压电磁阀43出水口经过水管与三通接口17的端口3相连，所述三通接口17的端口2经过水管与混合腔6上端接口相连。所述混合腔6下端接口经过水管与电动引流阀45进水口相连；所述电动引流阀45出水口经过水管与淋浴喷头机构7相连。
如图6所示，所述温度传感器51、压力传感器55安装于热水管与三通管15的端口1处，所述温度传感器52、压力传感器56安装于低压电磁阀43进水口处，所述温度传感器53、压力传感器57安装于存水箱2底部，所述温度传感器54、压力传感器58安装于混合腔6底部接口处，所述液体流速传感器59安装于电动引流阀45出水口后。
实施例所述回收管内存水的方式是当热水管存水温度T1<T0时，打开低压电磁阀41向存水箱2放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭低压电磁阀41，当存水箱2内存水放光之前，开启低压电磁阀42，同时开启电动引流阀44，通过所述PID算法控制低压电磁阀42、电动引流阀44将存水箱2内的水与热水管管中的水混合，若混合后的水温可以达到T0，则直接输出这些混合后的水，直到压力传感器57检测到存水箱2内存水放光则关闭电动引流阀44，开启低压电磁阀43，在将冷水管中的冷水和热水管中的热水运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、43进行混合输出；如果水温仍然超过T0，则运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、43将这些混合后的水和冷水管中温度的冷水进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果。
实施例3
如图7所示，本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的实施例3包括热水管接口11，冷水管接口12，冷水管出口处13，热水管出口处14，三通接口15、16、17，存水箱2，主控制器盒3，低压电磁阀41、42、43，电动引流阀44、45，单向阀46，温度传感器51、52、53、54，压力传感器55、56、57、58，液体流速传感器59，混合腔6，淋浴喷头机构7，电路控制箱8和用于连接各机构的水管、弯头若干。
如图8、图17所示，本发明所述的热水管接口11一端与家用的洗浴热水管接口相连接，另一端经过水管与三通管15端口1相连；所述三通接口15端口2经过水管与单向阀46进水口相连，所述单向阀46出水口经过水管与低压电磁阀41进水口端相连，所述低压电磁阀41出水口端经过水管与存水箱进口21相连，所述存水箱出口22经过水管与电动引流阀44进水口相连；所述电动引流阀44出水口经过水管与三通接口17端口2相连；所述三通接口15端口3经过水管与低压电磁阀42进水口端相连，所述低压电磁阀42出水口经过水管与三通接口16端口1相连；本发明所述的冷水管接口12一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，另一端经过水管与低压电磁阀43进水口相连；所述低压电磁阀43出水口经过水管与三通接口17的端口1相连；所述三通接口17端口3经过水管与三通接口16端口2相连；所述三通接口16的端口3经过水管与混合腔6上端接口相连。所述混合腔6下端接口经过水管与电动引流阀45进水口相连；所述电动引流阀45出水口经过水管与淋浴喷头机构7相连。
如图9所示，所述温度传感器51、压力传感器55安装于热水管与三通管15的端口1处，所述温度传感器52、压力传感器56安装于冷水管出口处13，所述温度传感器53、压力传感器57安装于存水箱2底部，所述温度传感器54、压力传感器58安装于混合腔6底部接口处，所述液体流速传感器59安装于电动引流阀45出水口后。
实施例所述回收管内存水的方式是当热水管存水温度T1<T0时，打开低压电磁阀41向存水箱2放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭低压电磁阀41，开启低压电磁阀42、电动引流阀44；当存水箱2内存水放光之前，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、电动引流阀44将存水箱2中的存水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果；当压力传感器57检测到存水箱2内存水放光则关闭电动引流阀44，开启低压电磁阀43，将冷水管中的冷水和热水管中温度高于T0的热水运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀42、43进行混合输出。
实施例4
如图10所示，本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的实施例4包括热水管接口11，冷水管接口12，冷水管出口处13，三通接口15，存水箱2，主控制器盒3，低压电磁阀41、42，电动引流阀44、45，温度传感器51、52、53、54，压力传感器55、56、57、58，液体流速传感器59，混合腔6，淋浴喷头机构7，电路控制箱8和用于连接各机构的水管、弯头若干。
如图11、图17所示，本发明所述的热水管接口11一端与家用的洗浴热水管接口相连接，另一端经过水管与低压电磁阀41进水口端相连；本发明所述的冷水管接口12一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，另一端经过水管与低压电磁阀42进水口相连；所述低压电磁阀41出水口经过水管与三通接口15端口1相连；所述低压电磁阀42出水口经过水管与三通接口15的端口3相连；所述三通接口15端口3经过水管与存水箱进口21相连，所述存水箱出口22经过水管与电动引流阀44进水口相连；所述电动引流阀44出水口经过水管与混合腔6上端接口相连。所述混合腔6下端接口经过水管与电动引流阀45进水口相连；所述电动引流阀45出水口经过水管与淋浴喷头机构7相连。
如图12所示，所述温度传感器51、压力传感器55安装于热水管与低压电磁阀41进水口处，所述温度传感器52、压力传感器56安装于低压电磁阀42进水口处，所述温度传感器53、压力传感器57安装于存水箱2底部，所述温度传感器54、压力传感器58安装于混合腔6底部接口处，所述液体流速传感器59安装于电动引流阀45出水口后。
本实施例的回收存水的控制原理不同于其他实施例，其通过控制低压电磁阀41、42将水暂存于存水箱2中。当热水管存水温度T1<T0时，打开低压电磁阀42向存水箱2放水，同时检测水的温度、流速，对水流温度积分求均值T。当T大于等于T0时，开始正常的洗浴过程即通过所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制低压电磁阀41、42将冷水热水进行混合，达到恒温恒流的洗浴效果。
结合以上四个实施例可以模拟在本发明所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统的洗浴过程大致为：正确安装本发明所述系统后，通过主控制器盒3或者智能手机等方式洗浴温度和洗浴流速，启动装置预热，通过无线控制方式控制浴霸灯及排风扇等调控浴室环境，正式进入浴室洗浴，期间可以通过主控制器盒3暂停或开始，结束时可以通过主控制器盒3上的一键结束按钮结束洗浴并关闭系统和浴霸灯、排风扇等装置。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，该装置还可用于其它材料的制备以及材料在场效应下的性能测试等，凡采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，包括热水管接口(11)，冷水管接口(12)，冷水管出口处(13)，热水管出口处(14)，第一三通接口(15)、第二三通接口(16)、第三三通接口(17)，四通接口(19)，存水箱(2)，主控制器盒(3)，第一低压电磁阀(41)、第二低压电磁阀(42)、第三低压电磁阀(43)，第一电动引流阀(44)、第二电动引流阀(45)，单向阀(46)，第一温度传感器(51)、第二温度传感器(52)、第三温度传感器(53)、第四温度传感器(54)，第一压力传感器(55)、第二压力传感器(56)、第三压力传感器(57)、第四压力传感器(58)，液体流速传感器(59)，混合腔(6)，淋浴喷头机构(7)，电路控制箱(8)和用于连接各机构的水管、弯头若干；其特征在于可以将热水管道中的低于预设温度T0的存水导入到存水箱(2)中，待到热水管中热水温度超过预设温度T0时，再将存水箱(2)中的水导出与热水管中的热水、冷水管中的冷水导入混合腔(6)进行混合，回收利用了热水管内的低温存水，避免了水资源的浪费；
利用第二电动引流阀(45)控制洗浴时花洒的液体的流速，达到对洗浴时水流速度恒定的控制效果；利用算法控制热水管阀门及冷水管阀门对液体进行温度控制，达到对洗浴时水温恒定的控制效果；其中控制流速时运用到增量型PID控制算法；
混合的算法运用到位置型双对象三级串级PID控制算法，所述的控制算法中提到的双对象是指热水管阀门及冷水管阀门的开合大小，利用位置型双对象三级串级PID控制算法实现对于温度流速的恒定控制，该算法主要可以分为三个等级的控制环：第一级为最外环，是由预设的洗浴流速与实际流速之差估算出混合腔的期望液位高度；第二级为中间环，由混合腔的期望液位高度与实际液位之差估算出热水与冷水混合后的期望流速，通过第四压力传感器(58)检测压强经过解算得到液位高度；第三级为最内环，首先由热水与冷水混合后的期望流速和混合腔的实际温度以及冷水管与热水管的液体温度及流速将两个控制对象的输入误差分离，分离后输入误差为热水与冷水的期望流速，再由热水的期望流速与实际流速之差估算热水管控制阀门的开合量，由冷水的期望流速与实际流速之差估算冷水管控制阀门的开合量。
2.根据权利要求1所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其特征在于所述的混合腔(6)的混合方式提供了两种控制方案：其一是混合腔(6)可采用电动搅拌的方式使得冷水与热水混合均匀，避免造成冷热不均的现象从而降低洗浴体验；其二是混合腔(6)上部带有机械传动叶轮使得混合腔(6)下部的水已经混合均匀，水流流入时方向为水流方向1，水流垂直进入混合腔上腔体(61)；如上所述垂直流动的水流会产生垂直向下的推力F，所述推力F作用于叶片叶轮机构(63)上可以推动叶轮旋转从而带动水流按照水流方向2流动，达到利用机械能使水流均匀混合的效果。
3.根据权利要求1或2所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其特征在于所述的主控制器盒(3)采用移动便携式电源；所述电路控制箱(8)采用家用220V电源供电；所述主控制器盒(3)和电路控制箱(8)采用蓝牙方式进行数据通信；所述的主控制器盒(3)与系统其他元件相对独立，具有便携式，便于安装。
4.根据权利要求3所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，其特征在于所述系统提供了两种控制方案，其一是：人机交互显示屏(31)、输入矩阵键盘(32)配合输入进行控制，其二是：采用移动智能设备通过所述主控制器盒(3)包含的无线通讯模块与其进行连接从而实现控制；所述的主控制器盒(3)可以通过利用无线通信技术的方式与其他智能家居产品进行数据交互。
5.根据权利要求4所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，所述的热水管接口(11)一端与家用的洗浴热水管接口相连接，热水管接口(11)另一端经过水管与第一三通接口(15)端口1相连，所述第一三通接口(15)端口2经过水管与第一低压电磁阀(41)进水口相连，所述第一三通接口(15)端口3经过水管与第二低压电磁阀(42)进水口相连，所述第一低压电磁阀(41)出水口经过水管与单向阀(46)进水口端相连，所述单向阀(46)出水口端经过水管与存水箱进口(21)相连，所述存水箱出口(22)经过水管与第一电动引流阀(44)进水口相连；所述的冷水管接口(12)一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，另一端经过水管与第三低压电磁阀(43)进水口相连；所述第二低压电磁阀(42)出水口经过水管与四通接口(19)的端口1相连，所述第一电动引流阀(44)出水口经过水管与四通接口(19)的端口2相连，所述第三低压电磁阀(43)出水口经过水管与四通接口(19)的端口4相连，所述四通接口(19)的端口3经过水管与混合腔(6)上端接口相连，所述混合腔(6)下端接口经过水管与第二电动引流阀(45)进水口相连，所述第二电动引流阀(45)出水口经过水管与淋浴喷头机构(7)相连；所述第一温度传感器(51)、第一压力传感器(55)安装于热水管与第一三通接口(15)的端口1处，所述第二温度传感器(52)、第二压力传感器(56)安装于第三低压电磁阀(43)进水口处，所述第三温度传感器(53)、第三压力传感器(57)安装于存水箱(2)底部，所述第四温度传感器(54)、第四压力传感器(58)安装于混合腔(6)底部接口处，所述液体流速传感器(59)安装于第二电动引流阀(45)出水口后；其特征在于，回收管内存水的方式是：当热水管存水温度T1<T0时，打开第一低压电磁阀(41)向存水箱(2)放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭第一低压电磁阀(41)，当存水箱(2)内存水放光之前，开启第二低压电磁阀(42)、第一电动引流阀(44)，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第一电动引流阀(44)将存水箱(2)中的存水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果，当第三压力传感器(57)检测到存水箱(2)内存水放光则关闭第一电动引流阀(44)，开启第三低压电磁阀(43)，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第三低压电磁阀(43)将冷水管中的冷水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出。
6.根据权利要求4所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，所述的热水管接口(11)一端与家用的洗浴热水管接口相连接，热水管接口(11)另一端经过水管与第一三通接口(15)端口1相连，所述第一三通接口(15)端口2经过水管与第二三通接口(16)端口2相连，所述第一三通接口(15)端口3经过水管与单向阀(46)进水口相连，所述单向阀(46)出水口经过水管与第一低压电磁阀(41)进水口端相连，所述第一低压电磁阀(41)出水口端经过水管与存水箱进口(21)相连，所述存水箱出口(22)经过水管与第一电动引流阀(44)进水口相连；所述第一电动引流阀(44)出水口经过水管与第二三通接口(16)端口1相连，所述第二三通接口(16)端口3经过水管与第二低压电磁阀(42)进水口端相连；所述的冷水管接口(12)一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，冷水管接口(12)另一端经过水管与第三低压电磁阀(43)进水口相连；所述第二低压电磁阀(42)出水口经过水管与第三三通接口(17)端口1相连，所述第三低压电磁阀(43)出水口经过水管与第三三通接口(17)的端口3相连，所述第三三通接口(17)的端口2经过水管与混合腔(6)上端接口相连，所述混合腔(6)下端接口经过水管与第二电动引流阀(45)进水口相连；所述第二电动引流阀(45)出水口经过水管与淋浴喷头机构(7)相连，所述第一温度传感器(51)、第一压力传感器(55)安装于热水管与第一三通接口(15)的端口1处，所述第二温度传感器(52)、第二压力传感器(56)安装于第三低压电磁阀(43)进水口处，所述第三温度传感器(53)、第三压力传感器(57)安装于存水箱(2)底部，所述第四温度传感器(54)、第四压力传感器(58)安装于混合腔(6)底部接口处，所述液体流速传感器(59)安装于第二电动引流阀(45)出水口后；其特征在于，回收管内存水的方式是：当热水管存水温度T1<T0时，打开第一低压电磁阀(41)向存水箱(2)放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭第一低压电磁阀(41)，当存水箱(2)内存水放光之前，开启第二低压电磁阀(42)，同时开启第一电动引流阀(44)，通过所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第一电动引流阀(44)将存水箱(2)内的水与热水管管中的水混合，若混合后的水温可以达到T0，则直接输出这些混合后的水，直到第三压力传感器(57)检测到存水箱(2)内存水放光则关闭第一电动引流阀(44)，开启第三低压电磁阀(43)，再将冷水管中的冷水和热水管中的热水运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第三低压电磁阀(43)进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果。
7.根据权利要求4所述的一种节水型智能恒温恒流洗浴系统，所述的热水管接口(11)一端与家用的洗浴热水管接口相连接，热水管接口(11)另一端经过水管与第一三通接口(15)端口1相连；所述第一三通接口(15)端口2经过水管与单向阀(46)进水口相连，所述单向阀(46)出水口经过水管与第一低压电磁阀(41)进水口端相连，所述第一低压电磁阀(41)出水口端经过水管与存水箱进口(21)相连，所述存水箱出口(22)经过水管与第一电动引流阀(44)进水口相连；所述第一电动引流阀(44)出水口经过水管与第三三通接口(17)端口2相连；所述第一三通接口(15)端口3经过水管与第二低压电磁阀(42)进水口端相连，所述第二低压电磁阀(42)出水口经过水管与第二三通接口(16)端口1相连；所述的冷水管接口(12)一端与家用的洗浴冷水管接口相连接，冷水管接口(12)另一端经过水管与第三低压电磁阀(43)进水口相连；所述第三低压电磁阀(43)出水口经过水管与第三三通接口(17)的端口1相连；所述第三三通接口(17)端口3经过水管与第二三通接口(16)端口2相连；所述第二三通接口(16)的端口3经过水管与混合腔(6)上端接口相连，所述混合腔(6)下端接口经过水管与第二电动引流阀(45)进水口相连；所述第二电动引流阀(45)出水口经过水管与淋浴喷头机构(7)相连，所述第一温度传感器(51)、第一压力传感器(55)安装于热水管与第一三通接口(15)的端口1处，所述第二温度传感器(52)、第二压力传感器(56)安装于冷水管出口处(13)，所述第三温度传感器(53)、第三压力传感器(57)安装于存水箱(2)底部，所述第四温度传感器(54)、第四压力传感器(58)安装于混合腔(6)底部接口处，所述液体流速传感器(59)安装于第二电动引流阀(45)出水口后；其特征在于，当热水管存水温度T1<T0时，打开第一低压电磁阀(41)向存水箱(2)放水；检测热水管水的温度T1>＝T0时，关闭第一低压电磁阀(41)，开启第二低压电磁阀(42)、第一电动引流阀(44)；当存水箱(2)内存水放光之前，运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第一电动引流阀(44)将存水箱(2)中的存水和热水管中温度高于T0的热水进行混合输出，从而达到恒温恒流的洗浴效果；当第三压力传感器(57)检测到存水箱(2)内存水放光则关闭第一电动引流阀(44)，开启第三低压电磁阀(43)，将冷水管中的冷水和热水管中温度高于T0的热水运用所述位置型双对象三级串级PID控制算法控制第二低压电磁阀(42)、第三低压电磁阀(43)进行混合输出。
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