基于人工智能水龍頭的研究

諶濤，朱蔓，周加立，嚴(yán)明霞

（興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州興義，562400）

0 引言

現(xiàn)在市場(chǎng)上的水龍頭的種類主要有以下幾種。是扳手式、螺旋式、感應(yīng)式、抬起式。在很多情況下，新型的感應(yīng)式水龍頭也已經(jīng)出現(xiàn)在我們生活中的各個(gè)方面。特別是在公共廁所里非常普遍了。感應(yīng)式水龍頭的出現(xiàn)，可有效防止接觸感染狀況發(fā)生。有時(shí)候用杯子打水的時(shí)候，水出不來?；蛘?，打的水不是您想要的量，有溢出來的時(shí)候，也有不滿的時(shí)候，很難有效地滿足人們的日常生活。為了解決這種情況，我們采用了基于圖像識(shí)別的智能水龍頭節(jié)水方法來避免此類問題的發(fā)生。同時(shí)，采用語音芯片，紅外線傳感器和光纖燈，系統(tǒng)具備語音播報(bào)功能和發(fā)電功能。此外，在水龍頭使用期間，還可以播放公共廣告，提高人們的節(jié)水意識(shí)，實(shí)用性很強(qiáng)。

1 智能水龍頭的工作原理

系統(tǒng)統(tǒng)主要由接收信號(hào)處理裝置、終端控制系統(tǒng)、電磁閥、水輪機(jī)發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、語音識(shí)別裝置（LD3320語音識(shí)別芯片）這幾個(gè)部分組成。如圖1所示。信號(hào)接受裝置主要以紅外線傳感器和識(shí)別裝置組成，通過應(yīng)用圖像處理技術(shù)可以更精準(zhǔn)、高效率、多種類的識(shí)別物體，以能滿足日常生活所需和節(jié)水效能。

圖1 系統(tǒng)工作圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 接收信號(hào)裝置

在此設(shè)計(jì)中，人工智能水龍頭光傳感器使用52單片機(jī)進(jìn)行控制，紅外線水龍頭控制電路由變壓器、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、電磁閥控制電路以及靈敏度調(diào)整電路這五部分構(gòu)成，如圖 2所示。電路所需的12v電壓由F50-12v微型水力發(fā)電機(jī)提供，然后輸出給到電磁水閥，紅外發(fā)射、接收管和電磁水閥控制電路。繼電器的5v電壓由單片機(jī)提供。該電路通過紅外發(fā)射接收管采集外部信號(hào)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，首先將檢測(cè)到的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的變化，然后通過光電元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。再將電信號(hào)傳入到電磁閥控制的電路中，電磁閥控制電路根據(jù)輸入信號(hào)的變化（信號(hào)值0/1的改變），控制電磁閥閥門的開與閉。

圖2 人工智能水龍頭光傳感器系統(tǒng)工作圖

2.2 圖像處理技術(shù)在人工智能水龍頭中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)成像技術(shù)可以解決檢測(cè)閥的當(dāng)前狀態(tài)和物體的成像。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于真實(shí)圖像的捕獲、分析和存儲(chǔ)更為重要。這個(gè)過程主要包括將3D信息提取成2D信息。然后將排版和分類提取的信息數(shù)據(jù)下載到3D模型中。因此，與2D設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的3D模型是在3D空間中構(gòu)建的。在當(dāng)水龍頭感應(yīng)系統(tǒng)在第二次感應(yīng)到這種圖形，或則類似圖像時(shí)，可進(jìn)行與第一次的圖像進(jìn)行對(duì)比，如果相似，中央控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出一條指令，讓電磁閥通電，打開水龍頭開關(guān)，流出讓我們所需的水流。除了讓感應(yīng)計(jì)算機(jī)自行采取物品外觀圖像外觀參數(shù)，我們也可以通過目前較為實(shí)用的一些軟件，如，CAD和CAM兩款軟件制作出我們所需的3D模型，存儲(chǔ)在電腦中，這樣可以大大減輕我們的工作量。

2.3 人工智能水龍頭的工作流程分析

如圖 3是人工智能水龍頭結(jié)合圖像處理技術(shù)的工作流程。在整個(gè)作業(yè)過程中，其中AI推理終端裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備是最為關(guān)鍵的。安裝在本地的AI推理終端，在本地實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)時(shí)采用邊緣計(jì)算方式，定期更新數(shù)據(jù)，以確保隱私性和安全性。在節(jié)水方法中，控制電磁閥信號(hào)分為持續(xù)打開和立即關(guān)閉兩種信號(hào)，且兩種信號(hào)的優(yōu)先級(jí)相同，AI推理終端在同一時(shí)刻內(nèi)僅會(huì)發(fā)送一種信號(hào)。AI推理終端工作模式分為靜息和識(shí)別兩種模式。AI推理終端工作的模式默認(rèn)是靜息模式，發(fā)送停水信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算圖像屬性值。AI推理終端通過連續(xù)兩幀圖像屬性值判斷啟動(dòng)或退出識(shí)別模式，不讓水資源流失，能夠更好的節(jié)約水資源；在物體識(shí)別模式下AI推理終端會(huì)追加實(shí)時(shí)識(shí)別功能與分類存儲(chǔ)功能，對(duì)于計(jì)算機(jī)中沒有的物體圖像屬性值，會(huì)根據(jù)物體進(jìn)行圖像識(shí)別分析并存儲(chǔ)。對(duì)于識(shí)別的物體種類不同而發(fā)送不同控水信號(hào)，識(shí)別物體不同的位置判斷是否切換控水信號(hào)。

圖3 人工智能水龍頭結(jié)合圖像處理技術(shù)的作業(yè)流程

2.4 微型水輪機(jī)發(fā)電裝置

如圖4（a）所示為F50-12V型的水輪機(jī)，該類型水輪機(jī)可以滿足電路中的負(fù)載需求，該電路就采用此類水輪機(jī)，為電路中的負(fù)載提供電源，12V直流穩(wěn)態(tài)壓力輸出給儲(chǔ)能電池如圖4（b）所示的12v鋰離子鋰電池，然后再將電源輸送給負(fù)載。儲(chǔ)能的部分是為了水輪機(jī)能夠輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，然后，水輪機(jī)的輸出端經(jīng)過LM2596穩(wěn)壓模塊和高壓直流負(fù)載保護(hù)模塊LM 7805，保證電池充電電壓的情況是在穩(wěn)定的范圍內(nèi),以避免因過載造成電路損壞的情況,并確保安全。本文中所用儲(chǔ)能裝置采取12v鋰離子鋰電池，儲(chǔ)存在電池中的能量可用于語音識(shí)別裝置（LD3320語音識(shí)別芯片）、紅外線控制裝置等負(fù)載。由于水龍頭使用時(shí)間較短，通過水輪機(jī)的流量有限，故儲(chǔ)能裝置的能量能夠滿足電路中的負(fù)載使用，沒有必要去使用更大的儲(chǔ)能裝置。

圖4 微型水輪機(jī)發(fā)電裝置

2.5 語音識(shí)別裝置

本文設(shè)計(jì)的智能水龍頭采用LD3320語音識(shí)別芯片，它的優(yōu)點(diǎn)是完全不需要外接外部存儲(chǔ)器，如FLASH 和 RAM 等，只需要使用 LD3320 芯片就可以進(jìn)行高質(zhì)量的語音識(shí)別工作。高度集成的LD3320語音識(shí)別芯片使語音處理非常方便，只需要確定寄存器的地址，編寫程序，然后測(cè)試，最后完成用單片機(jī)對(duì)水龍頭的控制，如圖5所示為L(zhǎng)D3320語音識(shí)別模塊電路圖。利用語音識(shí)別裝置，我們除了采集信號(hào)控制電磁閥外（通過說話控制來控制水龍頭的開關(guān)，就像我們的智能手機(jī)，通過一些的語音指令，可以喚醒我們的手機(jī)，同時(shí)人工智能水龍頭又可以回復(fù)你的語音指令，并執(zhí)行操作），我們還可以在里面輸入一些節(jié)約水源的標(biāo)語，讓人們提高節(jié)水意識(shí)，讓人放松的音樂或者一些充滿正能量的話語。

圖5 LD3320語音識(shí)別模塊圖

3 結(jié)束語

人工智能的迅速發(fā)展，必然也離不開大數(shù)據(jù)為我們帶來的便利。人工智能水龍頭結(jié)合圖像處理技術(shù)將會(huì)使人工智能水龍頭更上一層樓，各方面的不斷完善，諸如聲音控制（自動(dòng)控制開關(guān)水源，語音播報(bào)，人機(jī)對(duì)話等），根據(jù)人臉識(shí)別，自動(dòng)調(diào)整出舒適的水流溫度，照明裝置（能夠照明且能夠有殺菌作用）、節(jié)水效能更優(yōu)等一系列的改善，將會(huì)極大地滿足我們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)人工智能水龍頭的需求，同時(shí)使我們的生活也越來越智能化，便利化。