物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)

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摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控芯片為STM32103C8T6，結(jié)合了傳感器、wifi通信模塊、觸摸屏、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)成了一款支持多種控制方式、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)出水量控制、自動(dòng)水溫和水量調(diào)節(jié)的智能飲水機(jī)系統(tǒng).飲水機(jī)系統(tǒng)通過對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和控制，同時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，人機(jī)交互軟件則對物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的飲水機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和操控，從而實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能.系統(tǒng)可以應(yīng)用需要精準(zhǔn)水量的地方，如母嬰室、醫(yī)院等場合，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；飲水機(jī)；精準(zhǔn)出水

1引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)融入到各個(gè)行業(yè)，促進(jìn)各行業(yè)產(chǎn)品快速更新[1].針對市場上的飲水機(jī)大部分仍趨向傳統(tǒng)，功能僅限于燒水、保溫，相對比較單一；本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、手機(jī)軟件設(shè)計(jì)、芯片編程、傳感器和執(zhí)行器設(shè)計(jì)了一款可遠(yuǎn)程監(jiān)控、精準(zhǔn)出水、自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度和水量的飲水機(jī)，滿足人們對飲水機(jī)的智能化性能需求.

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如下圖1.如上系統(tǒng)框圖所示，本設(shè)計(jì)采用STM32103C8T6作為主控芯片，作為系統(tǒng)的控制芯片，其特點(diǎn)為運(yùn)行速度快、價(jià)格低廉、抗干擾強(qiáng).設(shè)計(jì)了三種人機(jī)交互方式，分別是HMI觸摸屏控制、手機(jī)APP控制、語音識(shí)別控制.由觸摸屏電路、語音模塊電路、手機(jī)app軟件實(shí)現(xiàn).另外使用溫濕度傳感器、水流量控制模塊、水位控制模塊，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的溫濕度采集、水溫調(diào)節(jié)保持、自動(dòng)加水等功能.電源模塊，用于給主控芯片STM32103C8T6、HMI觸摸屏、WIFI模塊、語音識(shí)別模塊等模塊進(jìn)行供電.

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括：系統(tǒng)主控制電路、水位檢測電路模塊、水流量控制電路模塊，水溫控制電路模塊、語音識(shí)別電路模塊、觸摸屏電路模塊、WIFI模塊、電源電路模塊、溫濕度傳感器模塊.

3.1系統(tǒng)主控制電路部分

系統(tǒng)主控制芯片電路主要由芯片STM32F103C8T6最小系統(tǒng)構(gòu)成，該芯片的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，自帶串口較多，能夠滿足云飲水機(jī)系統(tǒng)的控制.主控電路主要完成整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、處理和控制的功能.

3.2水位檢測模塊部分

水位檢測模塊電路主要完水槽自動(dòng)加水的功能，主要通過水中的金屬觸點(diǎn)采集液位的信息，經(jīng)NE555芯片比較和處理，再控制繼電器、抽水泵的工作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水、控制液位的功能.

3.3水流量控制模塊部分

如下圖10所示，主控芯片STM32F103C8T6使用管腳A1對霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，判斷、計(jì)算當(dāng)前的出水流量，并通過A0管腳控制水流電磁閥的關(guān)閉，控制出水，兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精確控制出水流量的功能.

3.4水溫控制模塊部分

水溫控制模塊電路結(jié)合了溫度傳感器DS18B20和W1411數(shù)字溫控器，由溫度傳感器獲取溫度，溫控器根據(jù)溫度數(shù)據(jù)對加熱棒進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)水溫的恒定控制.

3.5語音識(shí)別模塊電路部分

采用US-LDV7語音識(shí)別模塊，使用STM32F103C8T6的串口3與其進(jìn)行通訊與控制.語音識(shí)別模塊通過上位機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練[2]，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)語句的識(shí)別，再通過主控芯片STM32F103C8T6的處理和控制，實(shí)現(xiàn)語音控制飲水機(jī)的動(dòng)作控制.

3.6觸摸屏電路部分

觸摸屏采用串口HMI屏，使用上位機(jī)對觸摸屏的界面和邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，由主控芯片的串口1進(jìn)行通信和控制.觸摸屏主要用來進(jìn)行現(xiàn)場的人機(jī)交互，包括顯示出水量、溫濕度、出水指令、wifi信息輸入等功能.

3.7WIFI模塊電路部分

WIFI模塊采用ESP8266模塊，由主控芯片的串口2進(jìn)行通信和控制；實(shí)現(xiàn)功能為：作為中繼，連接主控芯片和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信.

3.8電源電路部分

電源適配器提供24V直流電，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，滿足主控芯片、HMI觸摸屏、語音識(shí)別模塊等工作電壓（3.3V、5V）的需求，滿足水位檢測模塊工作電壓12V電壓需求，提供整個(gè)系統(tǒng)的工作電源.

3.9溫濕度模塊電路部分

溫濕度模塊電路主要由DH11溫濕度傳感器組成，其主要功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度.由主控芯片STM32F103C8T6的A4管腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和讀取，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測飲水機(jī)周圍的溫濕度的功能.

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：

系統(tǒng)主控芯片STM32F103C8T6的程序設(shè)計(jì)、手機(jī)app的界面組件和程序設(shè)計(jì)、觸摸屏界面組件和程序設(shè)計(jì).

4.1系統(tǒng)主控芯片的軟件設(shè)計(jì)主控芯片STM32F103C8T6的程序總體流程圖

如上圖17所示,整個(gè)程序的運(yùn)行過程如下：（1）初始化：啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化工作，包括串口初始化、定時(shí)器初始化、霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)初始化、水泵開關(guān)初始化、溫濕度模塊的初始化等.（2）采集溫濕度及顯示：主控芯片STM32F103C8T6讀取溫濕度模塊數(shù)據(jù)并控制觸摸屏顯示，通過WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器.（3）串口處理：處理從WIFI模塊（最初信息源來源手機(jī)app）、觸摸屏、語音識(shí)別模塊經(jīng)串口通信發(fā)送過來的出水指令、WIFI熱點(diǎn)信息.按通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.（4）控制精確出水：控制電磁閥打開，飲水機(jī)出水，同時(shí)對霍爾水流傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)量，并與輸入水流量數(shù)值進(jìn)行計(jì)算判斷，當(dāng)計(jì)算的實(shí)際出水量與設(shè)置出水量相等時(shí)，控制關(guān)閉電磁閥，飲水機(jī)停止出水.

4.2手機(jī)app的界面組件和程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的手機(jī)app采用app-inventor軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[4].手機(jī)app界面由出水量輸入框，啟動(dòng)、停止出水按鈕、溫濕度文本、累計(jì)出水量文本、wed客服端等構(gòu)成.App啟動(dòng)后，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接云服務(wù)器，檢測飲水機(jī)在線情況，獲取服務(wù)器的溫濕度數(shù)值并在app界面顯示.完成人機(jī)交互操作，并將用戶的操作出水量數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器供下位機(jī)獲取，飲水機(jī)每間隔兩秒連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，再進(jìn)行出水量控制.另外，APP完成已出水的總量進(jìn)行累加.目前，設(shè)計(jì)已完成手機(jī)app遠(yuǎn)程控制精確出水，后續(xù)設(shè)計(jì)方向是朝共享飲水機(jī)發(fā)展[5].用戶通過掃描觸摸屏上的二維碼，網(wǎng)站服務(wù)器，在服務(wù)器網(wǎng)頁填入出水量，服務(wù)器計(jì)算付費(fèi)信息，用戶進(jìn)行支付寶、微信等付費(fèi)，然后服務(wù)器再控制飲水機(jī)按出水量精準(zhǔn)出水，達(dá)到飲水機(jī)共享的目的.共享飲水機(jī)可服務(wù)于各個(gè)公共場合，特別是需要精確出水需求的地方，例如：醫(yī)院、母嬰室等地方.

4.3觸摸屏界面組件和程序設(shè)計(jì)

觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)界面的設(shè)計(jì)和各種界面的后臺(tái)程序的設(shè)計(jì)，三個(gè)界面分別為：主界面，wifi設(shè)置界面，出水量輸入界面.（1）主界面：包含的組件有：文字說明部分、環(huán)境參數(shù)顯示部分、出水量輸入框、用水累計(jì)標(biāo)簽、wifi連接提示標(biāo)簽、出水提示標(biāo)簽，出水量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)度條、啟動(dòng)按鈕、wifi設(shè)置按鈕、二維碼框、定時(shí)器等構(gòu)成.觸摸屏啟動(dòng)后，進(jìn)入到主界面，通過串口通信從主控芯片的串口1接收實(shí)時(shí)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并在溫濕度標(biāo)簽上進(jìn)行顯示，提示用戶的wifi設(shè)置信息.處理用戶的用水量輸入數(shù)據(jù)并串口發(fā)送到主控芯片，主控芯片接受到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行水流量控制.同時(shí)，控制畫面進(jìn)度條與實(shí)際出水量相對稱[6]，處理水量累計(jì)結(jié)果和處理.二維框顯示飲水a(chǎn)pp的下載地址，方便用戶的下載使用.（2）wifi輸入界面：當(dāng)用戶在主界面點(diǎn)擊wifi設(shè)置按鈕進(jìn)入此界面.設(shè)計(jì)了虛擬鍵盤供用戶在觸摸屏上錄入wifi信息.（3）出水量輸入界面：包括虛擬的數(shù)字鍵盤，供用戶在觸摸屏上錄入出水量數(shù)據(jù)信息.

5系統(tǒng)測試與結(jié)合分析

（1）出水量測試數(shù)據(jù)表格：經(jīng)多次重復(fù)性測試分析，飲水機(jī)的平均誤差為5.4%.在大部分情況下，除去人為誤差影響，出水量精準(zhǔn).（2）手機(jī)控制反應(yīng)時(shí)間測試：經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試、分析，手機(jī)APP控制飲水機(jī)反應(yīng)時(shí)間，最快01.12s，最慢04.22s，平均速度2.9722s，且經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時(shí)間與飲水機(jī)連接的WIFI網(wǎng)速有直接關(guān)系.

6總結(jié)

設(shè)計(jì)相對于傳統(tǒng)的家庭飲水機(jī)，有了較大的改進(jìn)，包括控制和精確出水方面的創(chuàng)新；可以適用于家庭，作為智能飲水機(jī)使用，也適用于公共場合，特別是適合需要精確用的地方，如：醫(yī)院、母嬰室等場合；具備有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

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〔6〕李航,陳后金.物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].中國科技論壇,201(01):81-85.

作者：黃道燚 陳敏敏 單位：汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院