物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能飲水機設(shè)計
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摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)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(yīng)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(yīng)用價值.
關(guān)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(shè)計、芯片編程、傳感器和執(zhí)行器設(shè)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(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)框圖如下圖1.如上系統(tǒng)框圖所示，本設(shè)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(shè)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(shè)計
本設(shè)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(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(xùn)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(shè)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(wù)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(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為三個部分：
系統(tǒng)主控芯片STM32F103C8T6的程序設(shè)計、手機app的界面組件和程序設(shè)計、觸摸屏界面組件和程序設(shè)計.
4.1系統(tǒng)主控芯片的軟件設(shè)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(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(dāng)計算的實際出水量與設(shè)置出水量相等時，控制關(guān)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(shè)計
本設(shè)計的手機app采用app-inventor軟件進行設(shè)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(luò)連接云服務(wù)器，檢測飲水機在線情況，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)器供下位機獲取，飲水機每間隔兩秒連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)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(shè)計已完成手機app遠程控制精確出水，后續(xù)設(shè)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(wù)器，在服務(wù)器網(wǎng)頁填入出水量，服務(wù)器計算付費信息，用戶進行支付寶、微信等付費，然后服務(wù)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(wù)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(shè)計
觸摸屏的軟件設(shè)計包括三個界面的設(shè)計和各種界面的后臺程序的設(shè)計，三個界面分別為：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(shè)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(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(dāng)用戶在主界面點擊wifi設(shè)置按鈕進入此界面.設(shè)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(fù)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(yīng)時間測試：經(jīng)實驗測試、分析，手機APP控制飲水機反應(yīng)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(yīng)時間與飲水機連接的WIFI網(wǎng)速有直接關(guān)系.
6總結(jié)
設(shè)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.
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作者：黃道燚 陳敏敏 單位：汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院
