基于物联网IoT和模糊控制的公共卫生间智能冲水系统

在现代教育和服务设施中，如教学楼和服务区等人员密集的场所，"沟槽式"公共卫生间作为一种基础配套设施，为人们提供了方便。然而，这种卫生间设计也带来了一系列挑战，包括冲水控制困难、管理复杂以及水资源的大量浪费。据研究，公共卫生间的用水量约占我国居民日常用水的30%，但由于技术限制，"沟槽式"公共卫生间的冲水系统无法根据实际情况进行灵活调节，这不仅导致卫生间卫生状况下降，还造成了水资源的极大浪费。目前，公共卫生间的水资源利用效率尚不足50%，节水潜力巨大。

在当前提倡全民节约用水的社会背景下，对于人员密集场所的"沟槽式"公共卫生间冲水系统的设计和实施，应更加注重水资源的节约。其次，还需要进一步改善卫生间的卫生状况和统一管理。通过运用先进的现代电子和网络技术，可以实现"沟槽式"公共卫生间冲水系统的智能化开发。这不仅符合国家节约水资源的政策要求，也是合理利用水资源的有效手段。因此，针对教学楼和服务区等人员密集场所，设计并开发一款"沟槽式"公共卫生间智能冲水系统是必要且紧迫的。

基于STM32单片机和ESP32的“沟槽式”公共卫生间智能冲水系统主要包括四大模块：人体红外感应模块、控制模块、网络通信模块、云服务器、管理模块。人体红外感应模块主要采用HC-SR501人体红外感应模块对教学楼和服务区等人员密集场所的公共卫生间沟槽式便池区域进行人体感应；HC-SR505人体红外感应模块则对独立便池进行人体感应。控制模块主要采用STM32单片机对人体红外感应模块实时状态数据进行获取并分析，进而对继电器开关进行控制，从而达到冲水的目的。网络通信模块主要采用ESP32模块，利用其WIFI功能或移动通信技术进行双方面通信，一方面实现与STM32进行实时通信，另一方面则实现与云服务器模块进行实时通信。云服务器主要采用阿里云IoT平台进行制作，对来自网络通信模块的数据进行分析处理以及对来自管理模块的操作指令进行识别并处理。管理模块主要采用手机APP和WEB网页通过网络技术对“沟槽式”公共卫生间智能冲水系统进行统一管理，可实现定时冲水控制和远程控制。控制系统模块的设计基于Matlab进行，通过一种改进粒子群算法优化的模糊神经网络比例积分微分(PID)控制模型用于阀位控制，该模型利用模糊神经网络的自学习能力，实现对PID控制参数的实时在线整定，并且通过将改进粒子群算法与BP算法相结合的方式，实现对模糊神经网络参数的粗调和细调，克服了模糊神经网络收敛缓慢、易陷入局部最优的缺点，根据实际应用场景利用自动控制算法控制继电器的开关。

总体框图如图1所示：

              图1 总体框图

1．国内发展现状及动态

目前，国内绝大部分教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间主要采用沟槽式便池和独立便池，其存在着冲水控制困难、统一管理难度大、水资源浪费严重等问题。

以下为国内相关现有问题：

①   当前，教学楼、服务区的公共卫生间的卫生状况比较差，尤其是在使用高峰期，沟槽式便池就显得难以直视。

②   智能化水平低，冲水控制还停留在手动方式或直冲方式。

③   水资源浪费严重，尤其是采用直冲方式实现冲水。

④   统一管理难度大，缺乏自动冲水、定时冲水控制以及远程控制等实际功能。

2．国外发展现状及动态

当前，国外发达地区教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间主要采用独立便池，基本抛弃原有的沟槽式便池，有少部分欠发达地区教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间保留着沟槽式便池，这与经济、技术、人口有一定的关系。国外在此方面发展比较完善。

以下为国外相关现有实例：

①   日本在东京湿谷地区启动“The Tokyo Toilet”（东京公厕）项目，2017-2019年翻修300多座厕所，花费约3亿人民币。如：惠比寿公园社区公共卫生间，除了马桶盖可自动开关和加湿外，还在公共厕所的马桶遥控外增加了音乐功能，以播放水声以掩盖任何不明显噪声，以减轻公共卫生间使用者的尴尬。

②   美国在教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间面临着严重不足问题。据英国QS厕所用品公司发布的《公共厕所指数》显示，截至2021年，美国平均10万人只有8个公厕。纽约市仅仅设立有20个自动清洁厕所，但对使用者收费较贵。

③   新加坡在教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间的改善十分重视，运用智能科技探测人流与异味，以此为依据，必须每半小时到两小时清洗一次。

④   印度绝大部分地区经济水平较低，在教学楼、服务区等人员密集公共场所的公共卫生间的建设还不是很完善。通常是露天公厕、男女公用卫生间等。这些厕所大部分无人管理，导致臭气冲天，卫生状况极差，这需要政府及人民共同去改善。

（1）该系统可根据教学楼、服务区等公共卫生间实际使用情况进行智能冲水控制。

（2）该系统可手机APP和WEB网页对教学楼、服务区等公共卫生间冲水控制进行定时以及远程控制。

（3）该系统对教学楼、服务区等公共卫生间的卫生状况的进一步改善具有重要作用。

（4）该系统可实现对教学楼、服务区等公共卫生间的统一化管理。

（5）该系统可减少水资源的浪费，是水资源被合理利用

1. 人体红外传感技术

人体红外传感技术主要采用HC-SR501人体红外感应模块对教学楼和服务区等人员密集场所的公共卫生间沟槽式便池区域进行人体感应；HC-SR505人体红外感应模块则对独立便池进行人体感应。

2. 控制模块

控制模块主要采用STM32单片机对人体红外感应模块实时状态数据进行获取，在STM32单片机上加入基于Matlab训练的模糊控制算法进行实时分析，进而对继电器开关进行控制，从而达到精准控制冲水的目的。

3．网络通信模块

网络通信模块主要采用ESP32模块，利用其WIFI功能或移动通信技术进行双方面通信，一方面实现与STM32进行实时通信，另一方面则实现与云服务器进行实时通信。

4．云服务器

云服务器模块主要采用虚拟化技术搭建，对来自网络通信模块的数据进行分析处理以及对来自管理模块的操作指令进行识别并处理。

5．管理模块

管理模块主要采用手机APP和WEB网页通过网络技术对“沟槽式”公共卫生间智能冲水系统进行统一管理，可实现定时冲水控制和远程控制。

6．改进型模糊神经网络PID阀位控制算法

该算法基于改进粒子群算法优化的模糊神经网络PID控制方法用于阀位控制，通过结合模糊控制的先验知识和神经网络的适应学习能力，设计一种模糊神经网络PID控制器，并利用改进的粒子群算法与BP算法结合的方式实现对模糊神经网络参数的精确调整，以期达到实时调整PID控制参数，提高阀位控制精度的目的。

拟解决问题：

①学习关于ESP32的无线传输功能的相关知识及结合实际应用。

②学习STM32单片机的开发和应用。

③学习并运用人体红外传感技术对教学楼和服务区等公共卫生间的沟槽式便池和独立便池进行人体感应，并将结果传送至STM32单片机。

④学习基于Android手机 APP的开发以及WEB网页设计。

⑤学习设计云服务器相关知识以及开发。

预期成果：

采用本系统可实现对教学楼和服务区等公共卫生间冲水的智能控制、水资源的节约、统一化管理、卫生状况的进一步改善、以及实现定时控制和远程控制等实用性功能，从而进一步提高教学楼和服务区等人员密集公共场所的公共卫生间服务水平。