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CN105673908B - 基于神经网络和单片机的智能节水水龙头 - Google Patents

基于神经网络和单片机的智能节水水龙头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，包括水龙头本体、单片机、触摸显示屏、蜂鸣报警器；在水龙头出水口设有第一电磁阀，在出水口前端设有回流管，管口设有第二电磁阀，在第二电磁阀前端设有用于检测水温的第一温度传感器，水龙头外设有用于检测环境温度的第二温度传感器，水龙头本体上冷水进水处及热水进水处各设有一只流量控制器；所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、两只流量控制器、触摸显示屏、蜂鸣报警器分别与单片机连接；本发明的水龙头可通过BP算法和模糊控制智能地预测出需求水温，无需多次调试，可快速智能地满足人们的需求，通过设置回流功能极大地避免了水资源的浪费。

Description

基于神经网络和单片机的智能节水水龙头
技术领域
本发明涉及一种智能水龙头，尤其涉及一种基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，该水龙头具有精准可调节、可回流的特点。
背景技术
当下，可调温的水龙头在我国普及率很高，无论是在家中：洗浴上、洗漱上、厨房里，还是在公共场合：商场等地方，我们都可以享受到热水，可以根据自己的意愿进行调控温度。
现有的技术，就是通过水龙头连接热水器出水和冷的自来水，通过调控龙头，选择不同的冷水和热水比例混合，达到得到温水的目的。这样做的确解决了人们对于热水的需求，但是事实上，人们不得不面对一个现状，就是用户总是需要花很多时间去调试热水，就算水龙头可以出热水，但是常常不是用户想要的，在理发店，商场，厨房等常常会遇到这种情况，需要调试很久，非常影响用户体验，且调试过程中的出水，若不是刻意去收集往往都被白白流掉，造成了水资源的极大浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有精准可调节、可回流特点的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头。
本发明的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，包括具有冷、热两路进水的水龙头本体，还包括单片机、触摸显示屏、蜂鸣报警器；在水龙头出水口设有第一电磁阀，在出水口前端设有回流管，回流管管口设有第二电磁阀，在第二电磁阀前端设有用于检测水温的第一温度传感器，水龙头外设有用于检测环境温度的第二温度传感器，水龙头本体上冷水进水处及热水进水处各设有一只流量控制器；所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、两只流量控制器、触摸显示屏、蜂鸣报警器分别与单片机连接。
所述的第一电磁阀、第二电磁阀均为常闭电磁阀。所述的单片机通过BP算法预测所需温度，计算出所需冷、热水流量比例并控制两只流量控制器使水龙头内水温达到该预测温度。
所述的单片机采用ARMLPC2210单片机。
上述技术方案中，所述的单片机通过BP算法预测下次出水所需温度的具体方法如下：
单片机记录每次实际出水温度，并将下次出水的前10-30次用水温度记录作为样本，使用BP算法逼近获得用户用水温度趋势函数，并用此函数预测出下一次用水可能温度T；采用模糊控制器设定规则：设连续两天温差值为△T，根据经验对不同的△T设定相应的环境温度影响因子△t，将当前两天的温差作为输入写入模糊控制器，模糊控制器根据预先设定的规则，输出相应的△t，单片机输出最终预测结果T+△t。
当水龙头以最终预测温度出水，但出水温度不满足用户需求时，用户通过触摸显示屏设定其所需温度，单片机重新计算所需冷、热水比例并控制两个流量控制器，且当设定温度与预测温度差距小于或等于预先设定的阈值，则两电磁阀状态不变，出水不中断；当设定温度与预测温度差距大于预先设定的阈值，则单片机控制第一电磁阀关闭，同时开启第二电磁阀实现回流，直到当前水温与设定温度差距小于预先设定的阈值，则单片机控制关闭第二电磁阀，开启第一电磁阀，实现出水。
本发明的智能节水水龙头基于单片机及神经网络的BP算法实现预测下一次用户可能需求水温，提升用户体验，且具有回流功能，可大幅度减少水资源的浪费。
附图说明
图1是本发明的智能节水水龙头的结构示意图；
图2是本发明的智能节水水龙头的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，包括具有冷、热两路进水的水龙头本体，还包括ARM LPC2210单片机、触摸显示屏、蜂鸣报警器；在水龙头出水口设有第一电磁阀，在出水口前端设有回流管，回流管管口设有第二电磁阀，在第二电磁阀前端设有用于检测水温的第一温度传感器，水龙头外设有用于检测环境温度的第二温度传感器，水龙头本体上冷水进水处及热水进水处各设有一只流量控制器；所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、两只流量控制器、触摸显示屏、蜂鸣报警器分别与单片机连接；所述的单片机通过BP算法预测下次出水所需温度，计算出所需冷、热水流量比例并控制两只流量控制器使水龙头内水温达到该预测温度。
该水龙头的控制原理如图2所示，在每次使用结束后，第一温度传感器将实际的出水温度传入单片机，ARM单片机使用神经网络的BP算法根据近期人们的使用数据，预测出人们下次的需求出水温度。再根据预测的出水温度结合环境温度使用模糊算法精确算出合适的建议出水温度，并默认为需求温度，计算出所需冷、热水流量比例并控制两只流量控制器使水龙头内水温达到该预测温度，快速智能地满足人们需求，避免人们因为调试水温而浪费水。
所述的第一电磁阀、第二电磁阀均为常闭电磁阀。
所述的单片机通过BP算法预测下次出水所需温度的具体方法如下：
单片机记录每次实际出水温度，并将下次出水的前10-30次用水温度记录作为样本，使用BP算法逼近获得用户用水温度趋势函数，并用此函数预测出下一次用水可能温度T；采用模糊控制器设定规则：设连续两天温差值为△T，根据经验对不同的△T设定相应的环境温度影响因子△t，将当前两天的温差作为输入写入模糊控制器，模糊控制器根据预先设定的规则，输出相应的△t，单片机输出最终预测结果T+△t。
然后单片机根据具体的热水器设置的热水温度和冷水温度，算出需要X％的热水和Y％的体积冷水混合才能满足T+△t的出水，单片机控制两个流量控制器，使得冷、热水按Y:X比例流量混合，第一温度传感器实时检测水龙头内温度，未达到T+△t，则单片机控制回流口电磁阀开启，进行回流，直到温度达到T+△t后关闭。
当水龙头以最终预测温度出水，但出水温度不满足用户需求时，用户通过触摸显示屏设定其所需温度，单片机重新计算所需冷、热水比例并控制两个流量控制器，且当设定温度与预测温度差距小于或等于预先设定的阈值，则两电磁阀状态不变，出水不中断；当设定温度与预测温度差距大于预先设定的阈值，则单片机控制第一电磁阀关闭，同时开启第二电磁阀实现回流，直到当前水温与设定温度差距小于预先设定的阈值，则单片机控制关闭第二电磁阀，开启第一电磁阀，实现出水。
以下结合实例进一步说明：第二温度传感器检测数据输出至单片机，单片机计算每天的平均温度存入寄存器，并算出当天和前一天的温差存入寄存器。同样，每次人们最终的用水的温度也会被存入单片机中，用作BP算法预测下一次用水温度的样本。在本例中，选择前30次用水的最终出水温度作为样本，使用BP算法逼近获得用户用水温度趋势函数，预测出下一次用水可能温度T＝20℃。
另外，在模糊控制器中设定如下规则：
连续两天温差值为[0,1)℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为-0.2℃，
连续两天温差值为[1，2)℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为-0.3℃，
连续两天温差值为[2，4)℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为-1℃，
连续两天温差值为[4,6]℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为-2℃，
连续两天温差值为[-1,0)℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为0.2℃，
连续两天温差值为[-1,-2)℃,相应用水温度的环境温度影响因子为0.2℃，
连续两天温差值为[-2,-4)℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为1℃，
连续两天温差值为[-4,-6]℃，相应的用水温度的环境温度影响因子为2℃，
(连续两天温差计算为当前日平均温度减前一日平均温度，升温则略微降低预测温度，
降温略微提高预测温度)
而本例中的当前两天温差为2摄氏度，则相应的用水温度的环境温度影响因子为△
t＝-1℃。所以最终的预测的用水温度修正为T+△t＝20-1＝19℃。
则单片机将预测温度显示在屏幕上：预测需求水温19℃。设热水器加热水至40℃，冷水为5℃，单片机算出需要30％的热水和70％的冷水混合才能满足19℃，单片机控制两个流量控制器，冷、热水混合得到满足要求的出水。
然后人们在使用水龙头的时候，一打开水龙头，水龙头就按默认的19摄氏度的需求温度出水。本设计通过智能的方法，预测出人们需要使用的温度，避免多次调试，麻烦又浪费水。
假设预先设定温度调整的阈值为10℃，如果用户使用此水温一会儿发现并不满足要求，通过直接点击显示屏，微调水温到22℃。该微调数据传入单片机，当微调温度小于10℃时，水龙头的出水口和回流口的电磁阀状态保持不变。单片机根据需求22℃，重新控制两个流量控制器，使得出水温度达到要求，且用水不中断。当设定温度与预测温度差距大于预先设定的阈值，如用户在显示屏上输入所需水温为30℃，则单片机控制第一电磁阀关闭，同时开启第二电磁阀实现回流，重新控制两个流量控制器，直到当前水温与设定温度差距小于预先设定的阈值，则单片机控制关闭第二电磁阀，开启第一电磁阀，实现出水。
此外，在用水过程中可同时开启单片机内定时器，当用水超过5分钟会在显示屏上提醒是否继续使用，同时蜂鸣器响起。如果继续则只需在30秒内在显示屏中选择确定，否则将关闭水龙头。具体可通过中断的方式实现，如果达到5分钟，则跳入中断程序，在30秒内，显示屏会提醒是否使用，蜂鸣器会响起，若没有选择，则会终止用水，如果选择继续用水则跳出中断程序，继续用水。
本发明的智能节水水龙头通过预测用户可能需求水温，提高用户体验，且减少因为微调而流逝的水、通过回流而减少因为等待加热而流逝的水、通过定时关闭，减少因为忘记关闭水龙头而浪费的水，最终极大地达到节水的目的。

Claims (5)

1.一种基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，其特征在于，包括具有冷、热两路进水的水龙头本体，还包括单片机、触摸显示屏、蜂鸣报警器；在水龙头出水口设有第一电磁阀，在出水口前端设有回流管，回流管管口设有第二电磁阀，在第二电磁阀前端设有用于检测水温的第一温度传感器，水龙头外设有用于检测环境温度的第二温度传感器，水龙头本体上冷水进水处及热水进水处各设有一只流量控制器；所述的第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、两只流量控制器、触摸显示屏、蜂鸣报警器分别与单片机连接；所述的单片机通过BP算法预测下次出水所需温度，计算出所需冷、热水流量比例并控制两只流量控制器使水龙头内水温达到该预测温度。
2.根据权利要求1所述的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，其特征在于，所述的第一电磁阀、第二电磁阀均为常闭电磁阀。
3.根据权利要求1所述的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，其特征在于，所述的单片机采用ARMLPC2210单片机。
4.根据权利要求1所述的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，其特征在于，所述的预测下次出水所需温度的具体方法如下：
单片机记录每次实际出水温度，并将下次出水的前10-30次用水温度记录作为样本，使用BP算法逼近获得用户用水温度趋势函数，并用此函数预测出下一次用水可能温度T；采用模糊控制器设定规则：设连续两天温差值为△T，根据经验对不同的△T设定相应的环境温度影响因子△t，将当前两天的温差作为输入写入模糊控制器，模糊控制器根据预先设定的规则，输出相应的△t，单片机得出最终的预测结果为T+△t。
5.根据权利要求1所述的基于神经网络和单片机的智能节水水龙头，其特征在于，当水龙头以最终预测温度出水，但出水温度不满足用户需求时，用户通过触摸显示屏设定其所需温度，单片机重新计算所需冷、热水比例并控制两个流量控制器，且当设定温度与预测温度差距小于或等于预先设定的阈值，则两电磁阀状态不变，出水不中断；当设定温度与预测温度差距大于预先设定的阈值，则单片机控制第一电磁阀关闭，同时开启第二电磁阀实现回流，直到当前水温与设定温度差距小于预先设定的阈值，则单片机控制关闭第二电磁阀，开启第一电磁阀，实现出水。
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