[发明专利]一种基于声音频谱特征的水杯内空气柱高度检测算法

说明书

本发明公开了一种基于声音频谱特征的水杯内空气柱高度检测算法。基于在倒水过程中，水杯内空气柱振动的频率具有特定的频谱特征，与空气柱的高度具有很大关联，设计一个适用在AI芯片上的网络模型和后处理算法去预测水杯内空气柱高度，进而完成水位检测。本发明可以解决液位检测难以运用在民用饮水机的问题，从而解决现有具有饮水加热功能的饮水机在被使用时，使用者容易疏忽从而导致热水溢出水杯烫伤使用者的问题。

技术领域

本发明属于生活电器技术领域，具体涉及到一种具有检测倒水过程中水杯的剩余空气柱高度，间接进行水位检测的算法。

背景技术

目前，根据人们的饮水需求，带有饮水加热功能的饮水机越来越普及。然而在现有技术中，饮水机普遍存在以下缺点：使用者需自己根据水杯有没有接满来判断何时停止水阀，从而很容易出现疏忽导致热水溢满杯子的现象，造成使用者的烫伤，由此可见带有饮水加热功能的饮水机对使用者，尤其对于孩童存在一定风险。

因此，需要一种具有水位检测功能的饮水机，实时地检测水杯中的剩余高度，并在水杯即将灌满同时使用者仍未手动停止水阀时自动停止水阀，从而切实保障使用者的安全。

现有技术中，工业生产中检测水位有如下几种主流方法：

静压式测量：该测量方式采用安装于底部的压力传感器，通过检测底部压力，转换计算出液位高度。但是该测量方式存在精度要求高、水杯必须水平对准传感器放置、需要不断进行校准、受到水杯重量影响等缺陷，难以运用于本领域。

电容式测量：该测量方式依据电容感应原理，当被测介质测量电极的高度变化时，引起其电容变化。它可将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，从而进行显示、报警或自动控制。但是该测量方式存在接触式测量、受到不同的容器材质和溶液属性影响的缺陷，难以运用于本领域。

光学测量：该测量方式可分为激光测量和光电折射式测量。其中激光测量基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测，其光斑较小且集中。但透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器。而光电折射式测量。光电折射式测量通过传感器内部发出光源，光源全反射至传感器接受器。在遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。但是该测量方式存在对液体透明度有不同的要求、以传感器安装位置为基准而非杯口的缺陷，难以运用于本领域。

计算机视觉测量：该方式基于计算机视觉原理，提取监控视图中杯壁和杯中液体的特征，从而判断当前液位。但是该测量方式存在摄像头容易收到蒸汽、凝结水滴的污损导致无法获取有效视图、透明液体难以提取特征、水纹波动带来的噪声导致算法失效等缺陷，难以运用于本领域。

发明内容

本发明公开了一种基于声音频谱特征的水杯内空气柱高度检测算法。可以解决液位检测难以运用在民用饮水机的问题，从而解决现有具有饮水加热功能的饮水机在被使用时，使用者容易疏忽从而导致热水溢出水杯烫伤使用者的问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了基于声音频谱特征的水杯内空气柱高度检测算法。其检测算法主要包括声音接收、核心计算网络、后处理算法。所述算法基于声音接收模块传回的声音信号转换为频谱图，计算出当前打水水杯内的剩余空气柱高度，在接近水满时，由于水声频谱特征不明显，采用后处理进行预测最终剩余空气柱高度。

上述的具有检测水杯水杯内剩余空气柱高度的检测方法，其特征在于所述声音接收算法中包含波束成形算法。

并且，在本算法中，在对倒水声音进行预处理的过程中，包括如下步骤：

步骤S1：用16Khz采样率对音频进行重采样，并切割成2s片段。

步骤S2:用STFT算法输出音频频谱，将窗口时间长度设置为32ms，帧移设置为窗口大小的一半,分帧之后进行FFT，FFT的点数设置成与窗口大小一致的512点。

步骤S3：进行频谱图截断，只截取一半的频谱，最终得到要输入网络的频谱图。