物联网技术下的智能饮水机设计
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摘要：利用物联网技术设计了一款智能饮水机控制系统，系统的主控芯片为STM32103C8T6，结合了传感器、wifi通信模块、触摸屏、物联网平台构成了一款支持多种控制方式、远程实时监控、精准出水量控制、自动水温和水量调节的智能饮水机系统.饮水机系统通过对传感器检测到的数据，进行处理和控制，同时通过物联网通信技术发送到物联网平台，人机交互软件则对物联网平台的饮水机数据进行获取和操控，从而实现了饮水机系统的远程监控和自动调节功能.系统可以应用需要精准水量的地方，如母婴室、医院等场合，具有实际的应用价值.
关键词：物联网；饮水机；精准出水
1引言
随着物联网技术的快速发展，物联网已经融入到各个行业，促进各行业产品快速更新[1].针对市场上的饮水机大部分仍趋向传统，功能仅限于烧水、保温，相对比较单一；本文结合物联网通信技术、手机软件设计、芯片编程、传感器和执行器设计了一款可远程监控、精准出水、自动调节温度和水量的饮水机，满足人们对饮水机的智能化性能需求.
2系统总体设计
本系统设计采用模块化设计，系统框图如下图1.如上系统框图所示，本设计采用STM32103C8T6作为主控芯片，作为系统的控制芯片，其特点为运行速度快、价格低廉、抗干扰强.设计了三种人机交互方式，分别是HMI触摸屏控制、手机APP控制、语音识别控制.由触摸屏电路、语音模块电路、手机app软件实现.另外使用温湿度传感器、水流量控制模块、水位控制模块，实现饮水机的温湿度采集、水温调节保持、自动加水等功能.电源模块，用于给主控芯片STM32103C8T6、HMI触摸屏、WIFI模块、语音识别模块等模块进行供电.
3系统硬件设计
本设计的硬件电路主要包括：系统主控制电路、水位检测电路模块、水流量控制电路模块，水温控制电路模块、语音识别电路模块、触摸屏电路模块、WIFI模块、电源电路模块、温湿度传感器模块.
3.1系统主控制电路部分
系统主控制芯片电路主要由芯片STM32F103C8T6最小系统构成，该芯片的特点是价格便宜，处理速度快，抗干扰能力强，自带串口较多，能够满足云饮水机系统的控制.主控电路主要完成整个系统的协调、处理和控制的功能.
3.2水位检测模块部分
水位检测模块电路主要完水槽自动加水的功能，主要通过水中的金属触点采集液位的信息，经NE555芯片比较和处理，再控制继电器、抽水泵的工作，从而实现自动加水、控制液位的功能.
3.3水流量控制模块部分
如下图10所示，主控芯片STM32F103C8T6使用管脚A1对霍尔元件的输出脉冲信号进行采集，判断、计算当前的出水流量，并通过A0管脚控制水流电磁阀的关闭，控制出水，两者结合，实现精确控制出水流量的功能.
3.4水温控制模块部分
水温控制模块电路结合了温度传感器DS18B20和W1411数字温控器，由温度传感器获取温度，温控器根据温度数据对加热棒进行处理，从而实现水温的恒定控制.
3.5语音识别模块电路部分
采用US-LDV7语音识别模块，使用STM32F103C8T6的串口3与其进行通讯与控制.语音识别模块通过上位机进行训练[2]，实现饮水机语句的识别，再通过主控芯片STM32F103C8T6的处理和控制，实现语音控制饮水机的动作控制.
3.6触摸屏电路部分
触摸屏采用串口HMI屏，使用上位机对触摸屏的界面和逻辑进行设计[3]，由主控芯片的串口1进行通信和控制.触摸屏主要用来进行现场的人机交互，包括显示出水量、温湿度、出水指令、wifi信息输入等功能.
3.7WIFI模块电路部分
WIFI模块采用ESP8266模块，由主控芯片的串口2进行通信和控制；实现功能为：作为中继，连接主控芯片和物联网服务器，实现两者之间的数据通信.
3.8电源电路部分
电源适配器提供24V直流电，经过稳压模块进行电压转化，满足主控芯片、HMI触摸屏、语音识别模块等工作电压（3.3V、5V）的需求，满足水位检测模块工作电压12V电压需求，提供整个系统的工作电源.
3.9温湿度模块电路部分
温湿度模块电路主要由DH11温湿度传感器组成，其主要功能：实时监测环境温度.由主控芯片STM32F103C8T6的A4管脚进行驱动和读取，实现实时监测饮水机周围的温湿度的功能.
4系统软件设计本系统的软件设计主要分为三个部分：
系统主控芯片STM32F103C8T6的程序设计、手机app的界面组件和程序设计、触摸屏界面组件和程序设计.
4.1系统主控芯片的软件设计主控芯片STM32F103C8T6的程序总体流程图
如上图17所示,整个程序的运行过程如下：（1）初始化：启动时进行初始化工作，包括串口初始化、定时器初始化、霍尔传感器驱动初始化、水泵开关初始化、温湿度模块的初始化等.（2）采集温湿度及显示：主控芯片STM32F103C8T6读取温湿度模块数据并控制触摸屏显示，通过WIFI模块上传数据到物联网服务器.（3）串口处理：处理从WIFI模块（最初信息源来源手机app）、触摸屏、语音识别模块经串口通信发送过来的出水指令、WIFI热点信息.按通信协议对数据进行处理.（4）控制精确出水：控制电磁阀打开，饮水机出水，同时对霍尔水流传感器的输出脉冲信号进行计量，并与输入水流量数值进行计算判断，当计算的实际出水量与设置出水量相等时，控制关闭电磁阀，饮水机停止出水.
4.2手机app的界面组件和程序设计
本设计的手机app采用app-inventor软件进行设计[4].手机app界面由出水量输入框，启动、停止出水按钮、温湿度文本、累计出水量文本、wed客服端等构成.App启动后，通过手机网络连接云服务器，检测饮水机在线情况，获取服务器的温湿度数值并在app界面显示.完成人机交互操作，并将用户的操作出水量数据发送到物联网服务器供下位机获取，饮水机每间隔两秒连接物联网服务器获取数据，再进行出水量控制.另外，APP完成已出水的总量进行累加.目前，设计已完成手机app远程控制精确出水，后续设计方向是朝共享饮水机发展[5].用户通过扫描触摸屏上的二维码，网站服务器，在服务器网页填入出水量，服务器计算付费信息，用户进行支付宝、微信等付费，然后服务器再控制饮水机按出水量精准出水，达到饮水机共享的目的.共享饮水机可服务于各个公共场合，特别是需要精确出水需求的地方，例如：医院、母婴室等地方.
4.3触摸屏界面组件和程序设计
触摸屏的软件设计包括三个界面的设计和各种界面的后台程序的设计，三个界面分别为：主界面，wifi设置界面，出水量输入界面.（1）主界面：包含的组件有：文字说明部分、环境参数显示部分、出水量输入框、用水累计标签、wifi连接提示标签、出水提示标签，出水量实时动态进度条、启动按钮、wifi设置按钮、二维码框、定时器等构成.触摸屏启动后，进入到主界面，通过串口通信从主控芯片的串口1接收实时的环境温湿度数据并在温湿度标签上进行显示，提示用户的wifi设置信息.处理用户的用水量输入数据并串口发送到主控芯片，主控芯片接受到数据进行处理，进行水流量控制.同时，控制画面进度条与实际出水量相对称[6]，处理水量累计结果和处理.二维框显示饮水app的下载地址，方便用户的下载使用.（2）wifi输入界面：当用户在主界面点击wifi设置按钮进入此界面.设计了虚拟键盘供用户在触摸屏上录入wifi信息.（3）出水量输入界面：包括虚拟的数字键盘，供用户在触摸屏上录入出水量数据信息.
5系统测试与结合分析
（1）出水量测试数据表格：经多次重复性测试分析，饮水机的平均误差为5.4%.在大部分情况下，除去人为误差影响，出水量精准.（2）手机控制反应时间测试：经实验测试、分析，手机APP控制饮水机反应时间，最快01.12s，最慢04.22s，平均速度2.9722s，且经实验发现，反应时间与饮水机连接的WIFI网速有直接关系.
6总结
设计相对于传统的家庭饮水机，有了较大的改进，包括控制和精确出水方面的创新；可以适用于家庭，作为智能饮水机使用，也适用于公共场合，特别是适合需要精确用的地方，如：医院、母婴室等场合；具备有实用价值和经济价值.
参考文献：
〔1〕钱志鸿,王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报,2012(05):1023-1029.
〔2〕胡永利,孙艳丰,尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报,2012(06):1147-1163.
〔3〕申斌.张桂青.汪明.李成栋.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表，2013(02)：6-10.
〔4〕闫坤,沈苏彬.一种基于智能家居的用户行为预测方法[J].计算机技术与发展,2020(01):1-7.
〔5〕王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009(12):1-7.
〔6〕李航,陈后金.物联网的关键技术及其应用前景[J].中国科技论坛,201(01):81-85.
作者：黄道燚 陈敏敏 单位：汕尾职业技术学院
