物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能飲水機設計
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摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計了一款智能飲水機控制系統(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)平臺構(gòu)成了一款支持多種控制方式、遠程實時監(jiān)控、精準出水量控制、自動水溫和水量調(diào)節(jié)的智能飲水機系統(tǒng).飲水機系統(tǒng)通過對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，進行處理和控制，同時通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺，人機交互軟件則對物聯(lián)網(wǎng)平臺的飲水機數(shù)據(jù)進行獲取和操控，從而實現(xiàn)了飲水機系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)功能.系統(tǒng)可以應用需要精準水量的地方，如母嬰室、醫(yī)院等場合，具有實際的應用價值.
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；飲水機；精準出水
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)融入到各個行業(yè)，促進各行業(yè)產(chǎn)品快速更新[1].針對市場上的飲水機大部分仍趨向傳統(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)、手機軟件設計、芯片編程、傳感器和執(zhí)行器設計了一款可遠程監(jiān)控、精準出水、自動調(diào)節(jié)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(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)設計采用模塊化設計，系統(tǒng)框圖如下圖1.如上系統(tǒng)框圖所示，本設計采用STM32103C8T6作為主控芯片，作為系統(tǒng)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(xiàn).另外使用溫濕度傳感器、水流量控制模塊、水位控制模塊，實現(xiàn)飲水機的溫濕度采集、水溫調(diào)節(jié)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(tǒng)硬件設計
本設計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(tǒng)的控制.主控電路主要完成整個系統(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加水的功能，主要通過水中的金屬觸點采集液位的信息，經(jīng)NE555芯片比較和處理，再控制繼電器、抽水泵的工作，從而實現(xiàn)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(jié)合，實現(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)對加熱棒進行處理，從而實現(xiàn)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(xiàn)飲水機語句的識別，再通過主控芯片STM32F103C8T6的處理和控制，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)功能為：作為中繼，連接主控芯片和物聯(lián)網(wǎng)服務器，實現(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)壓模塊進行電壓轉(zhuǎn)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(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：實時監(jiān)測環(huán)境溫度.由主控芯片STM32F103C8T6的A4管腳進行驅(qū)動和讀取，實現(xiàn)實時監(jiān)測飲水機周圍的溫濕度的功能.
4系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計主要分為三個部分：
系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)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(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(jīng)串口通信發(fā)送過來的出水指令、WIFI熱點信息.按通信協(xié)議對數(shù)據(jù)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(shù)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(gòu)成.App啟動后，通過手機網(wǎng)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(shù)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(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)服務器供下位機獲取，飲水機每間隔兩秒連接物聯(lián)網(wǎng)服務器獲取數(shù)據(jù)，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(xù)設計方向是朝共享飲水機發(fā)展[5].用戶通過掃描觸摸屏上的二維碼，網(wǎng)站服務器，在服務器網(wǎng)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(yī)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(huán)境參數(shù)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(tài)進度條、啟動按鈕、wifi設置按鈕、二維碼框、定時器等構(gòu)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(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)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(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(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(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(jīng)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(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，反應時間與飲水機連接的WIFI網(wǎng)速有直接關系.
6總結(jié)
設計相對于傳統(tǒng)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(chuàng)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(yī)院、母嬰室等場合；具備有實用價值和經(jīng)濟價值.
參考文獻：
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〔3〕申斌.張桂青.汪明.李成棟.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設計與實現(xiàn)[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(shù)與發(fā)展,2020(01):1-7.
〔5〕王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009(12):1-7.
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作者：黃道燚 陳敏敏 單位：汕尾職業(yè)技術(shù)學院
