物聯網技術下的智能飲水機設計

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摘要：利用物聯網技術設計了一款智能飲水機控制系統，系統的主控芯片為STM32103C8T6，結合了傳感器、wifi通信模塊、觸摸屏、物聯網平臺構成了一款支持多種控制方式、遠程實時監控、精準出水量控制、自動水溫和水量調節的智能飲水機系統.飲水機系統通過對傳感器檢測到的數據，進行處理和控制，同時通過物聯網通信技術發送到物聯網平臺，人機交互軟件則對物聯網平臺的飲水機數據進行獲取和操控，從而實現了飲水機系統的遠程監控和自動調節功能.系統可以應用需要精準水量的地方，如母嬰室、醫院等場合，具有實際的應用價值.

關鍵詞：物聯網；飲水機；精準出水

1引言

隨著物聯網技術的快速發展，物聯網已經融入到各個行業，促進各行業產品快速更新[1].針對市場上的飲水機大部分仍趨向傳統，功能僅限于燒水、保溫，相對比較單一；本文結合物聯網通信技術、手機軟件設計、芯片編程、傳感器和執行器設計了一款可遠程監控、精準出水、自動調節溫度和水量的飲水機，滿足人們對飲水機的智能化性能需求.

2系統總體設計

本系統設計采用模塊化設計，系統框圖如下圖1.如上系統框圖所示，本設計采用STM32103C8T6作為主控芯片，作為系統的控制芯片，其特點為運行速度快、價格低廉、抗干擾強.設計了三種人機交互方式，分別是HMI觸摸屏控制、手機APP控制、語音識別控制.由觸摸屏電路、語音模塊電路、手機app軟件實現.另外使用溫濕度傳感器、水流量控制模塊、水位控制模塊，實現飲水機的溫濕度采集、水溫調節保持、自動加水等功能.電源模塊，用于給主控芯片STM32103C8T6、HMI觸摸屏、WIFI模塊、語音識別模塊等模塊進行供電.

3系統硬件設計

本設計的硬件電路主要包括：系統主控制電路、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系統主控制電路部分

系統主控制芯片電路主要由芯片STM32F103C8T6最小系統構成，該芯片的特點是價格便宜，處理速度快，抗干擾能力強，自帶串口較多，能夠滿足云飲水機系統的控制.主控電路主要完成整個系統的協調、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加水的功能，主要通過水中的金屬觸點采集液位的信息，經NE555芯片比較和處理，再控制繼電器、抽水泵的工作，從而實現自動加水、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進行采集，判斷、計算當前的出水流量，并通過A0管腳控制水流電磁閥的關閉，控制出水，兩者結合，實現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合了溫度傳感器DS18B20和W1411數字溫控器，由溫度傳感器獲取溫度，溫控器根據溫度數據對加熱棒進行處理，從而實現水溫的恒定控制.

3.5語音識別模塊電路部分

采用US-LDV7語音識別模塊，使用STM32F103C8T6的串口3與其進行通訊與控制.語音識別模塊通過上位機進行訓練[2]，實現飲水機語句的識別，再通過主控芯片STM32F103C8T6的處理和控制，實現語音控制飲水機的動作控制.

3.6觸摸屏電路部分

觸摸屏采用串口HMI屏，使用上位機對觸摸屏的界面和邏輯進行設計[3]，由主控芯片的串口1進行通信和控制.觸摸屏主要用來進行現場的人機交互，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進行通信和控制；實現功能為：作為中繼，連接主控芯片和物聯網服務器，實現兩者之間的數據通信.

3.8電源電路部分

電源適配器提供24V直流電，經過穩壓模塊進行電壓轉化，滿足主控芯片、HMI觸摸屏、語音識別模塊等工作電壓（3.3V、5V）的需求，滿足水位檢測模塊工作電壓12V電壓需求，提供整個系統的工作電源.

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：實時監測環境溫度.由主控芯片STM32F103C8T6的A4管腳進行驅動和讀取，實現實時監測飲水機周圍的溫濕度的功能.

4系統軟件設計本系統的軟件設計主要分為三個部分：

系統主控芯片STM32F103C8T6的程序設計、手機app的界面組件和程序設計、觸摸屏界面組件和程序設計.

4.1系統主控芯片的軟件設計主控芯片STM32F103C8T6的程序總體流程圖

如上圖17所示,整個程序的運行過程如下：（1）初始化：啟動時進行初始化工作，包括串口初始化、定時器初始化、霍爾傳感器驅動初始化、水泵開關初始化、溫濕度模塊的初始化等.（2）采集溫濕度及顯示：主控芯片STM32F103C8T6讀取溫濕度模塊數據并控制觸摸屏顯示，通過WIFI模塊上傳數據到物聯網服務器.（3）串口處理：處理從WIFI模塊（最初信息源來源手機app）、觸摸屏、語音識別模塊經串口通信發送過來的出水指令、WIFI熱點信息.按通信協議對數據進行處理.（4）控制精確出水：控制電磁閥打開，飲水機出水，同時對霍爾水流傳感器的輸出脈沖信號進行計量，并與輸入水流量數值進行計算判斷，當計算的實際出水量與設置出水量相等時，控制關閉電磁閥，飲水機停止出水.

4.2手機app的界面組件和程序設計

本設計的手機app采用app-inventor軟件進行設計[4].手機app界面由出水量輸入框，啟動、停止出水按鈕、溫濕度文本、累計出水量文本、wed客服端等構成.App啟動后，通過手機網絡連接云服務器，檢測飲水機在線情況，獲取服務器的溫濕度數值并在app界面顯示.完成人機交互操作，并將用戶的操作出水量數據發送到物聯網服務器供下位機獲取，飲水機每間隔兩秒連接物聯網服務器獲取數據，再進行出水量控制.另外，APP完成已出水的總量進行累加.目前，設計已完成手機app遠程控制精確出水，后續設計方向是朝共享飲水機發展[5].用戶通過掃描觸摸屏上的二維碼，網站服務器，在服務器網頁填入出水量，服務器計算付費信息，用戶進行支付寶、微信等付費，然后服務器再控制飲水機按出水量精準出水，達到飲水機共享的目的.共享飲水機可服務于各個公共場合，特別是需要精確出水需求的地方，例如：醫院、母嬰室等地方.

4.3觸摸屏界面組件和程序設計

觸摸屏的軟件設計包括三個界面的設計和各種界面的后臺程序的設計，三個界面分別為：主界面，wifi設置界面，出水量輸入界面.（1）主界面：包含的組件有：文字說明部分、環境參數顯示部分、出水量輸入框、用水累計標簽、wifi連接提示標簽、出水提示標簽，出水量實時動態進度條、啟動按鈕、wifi設置按鈕、二維碼框、定時器等構成.觸摸屏啟動后，進入到主界面，通過串口通信從主控芯片的串口1接收實時的環境溫濕度數據并在溫濕度標簽上進行顯示，提示用戶的wifi設置信息.處理用戶的用水量輸入數據并串口發送到主控芯片，主控芯片接受到數據進行處理，進行水流量控制.同時，控制畫面進度條與實際出水量相對稱[6]，處理水量累計結果和處理.二維框顯示飲水app的下載地址，方便用戶的下載使用.（2）wifi輸入界面：當用戶在主界面點擊wifi設置按鈕進入此界面.設計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：包括虛擬的數字鍵盤，供用戶在觸摸屏上錄入出水量數據信息.

5系統測試與結合分析

（1）出水量測試數據表格：經多次重復性測試分析，飲水機的平均誤差為5.4%.在大部分情況下，除去人為誤差影響，出水量精準.（2）手機控制反應時間測試：經實驗測試、分析，手機APP控制飲水機反應時間，最快01.12s，最慢04.22s，平均速度2.9722s，且經實驗發現，反應時間與飲水機連接的WIFI網速有直接關系.

6總結

設計相對于傳統的家庭飲水機，有了較大的改進，包括控制和精確出水方面的創新；可以適用于家庭，作為智能飲水機使用，也適用于公共場合，特別是適合需要精確用的地方，如：醫院、母嬰室等場合；具備有實用價值和經濟價值.

參考文獻：

〔1〕錢志鴻,王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報,2012(05):1023-1029.

〔2〕胡永利,孫艷豐,尹寶才.物聯網信息感知與交互技術[J].計算機學報,2012(06):1147-1163.

〔3〕申斌.張桂青.汪明.李成棟.基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表，2013(02)：6-10.

〔4〕閆坤,沈蘇彬.一種基于智能家居的用戶行為預測方法[J].計算機技術與發展,2020(01):1-7.

〔5〕王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009(12):1-7.

〔6〕李航,陳后金.物聯網的關鍵技術及其應用前景[J].中國科技論壇,201(01):81-85.

作者：黃道燚 陳敏敏 單位：汕尾職業技術學院