水杯智能管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

李鵬飛 李國(guó)強(qiáng) 高勇 信息工程大學(xué)教研保障中心

隨著人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越注重自身健康，科學(xué)研究指出，成年人一天的飲水量應(yīng)不低于1200ml，因此，人體每天應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充充足的水分來(lái)維持人體正常的生理功能。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能化產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入社會(huì)和家庭，讓人們的生活更加便捷、更加舒適。水杯作為一種人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚纳钊沼闷罚?jīng)常伴隨在人們的身邊，但是傳統(tǒng)的水杯已不能足現(xiàn)今人們對(duì)美好生活的需求，人們希望每天伴隨我們生活的水杯是一個(gè)智能化的產(chǎn)品，具有如及時(shí)提醒用戶(hù)飲水、告知人們杯中水的溫度、以及記錄人們每日的飲水量等功能，因此，研制一款能夠體現(xiàn)人性化的智能水杯產(chǎn)品，對(duì)于實(shí)現(xiàn)當(dāng)代人健康的生活方式便具有重要意義。

筆者開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款智能水杯系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠讓用戶(hù)實(shí)時(shí)獲取水溫并且能實(shí)時(shí)了解水量情況，系統(tǒng)通過(guò)判斷水溫和水量情況，能夠在屏幕上給予合適的提醒，并且具有定時(shí)功能，通過(guò)按鍵開(kāi)啟定時(shí)功能，當(dāng)設(shè)置時(shí)間到時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)GSM 通信模塊向用戶(hù)手機(jī)發(fā)送飲水提醒短信。通過(guò)水杯智能管家的開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步促進(jìn)用戶(hù)的健康飲水和Arduino 與智能水杯的結(jié)合。通過(guò)設(shè)計(jì)使之在保留基本功能的基礎(chǔ)上，更加突出人性化，以此為用戶(hù)帶來(lái)更深層、更貼近切身感受的產(chǎn)品體驗(yàn)，使之成為用戶(hù)健康飲水的一大幫手，從而達(dá)到監(jiān)督用戶(hù)養(yǎng)成良好的飲水習(xí)慣，達(dá)到用戶(hù)健康飲水的目的。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)劃分為溫度檢測(cè)模塊、水量檢測(cè)模塊、定時(shí)提醒模塊、報(bào)警提醒模塊、屏幕顯示模塊、以及GSM 通信模塊。運(yùn)用所學(xué)的傳感器知識(shí)以及Arduino 程序開(kāi)發(fā)，將這些模塊集成并應(yīng)用于傳統(tǒng)水杯，開(kāi)發(fā)一款具有溫度檢測(cè)、水量檢測(cè)、定時(shí)提醒功能以及更具備人性化設(shè)計(jì)的智能水杯產(chǎn)品。本章節(jié)將通過(guò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖直觀的介紹系統(tǒng)，從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分，不同的模塊對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)不同的功能。具體模塊功能描述如下。

1.系統(tǒng)溫度檢測(cè)功能模塊

因?yàn)镈S18B20 溫度傳感器測(cè)量范圍在-55℃～+125℃，具有靈敏性好、測(cè)量精度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，它的工作電壓在3V-5.5V，在使用中不需要任何外圍元件，能夠適用于冷凍倉(cāng)，電力機(jī)房等較復(fù)雜環(huán)境，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)也采用了DS18B20 溫度傳感器作為系統(tǒng)的溫度檢測(cè)的硬件。首先，DS18B20 能夠適用于許多方面，因?yàn)槊總€(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的64 位串行代碼，這也使得多個(gè)DS18B20 可以在同一總線上運(yùn)行。因此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)使用一個(gè)微處理器去控制的大范圍分布的DS18B20 溫度傳感器。這一特性大大增加了它的應(yīng)用范圍，例如：應(yīng)用于空調(diào)環(huán)境控制、樓宇溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備或機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)在獲取溫度時(shí)，需要進(jìn)行將溫度傳感器進(jìn)行初始化、寫(xiě)操作、讀操作。但是DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，但因?yàn)檩^小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 系統(tǒng)溫度檢測(cè)功能模塊

2.系統(tǒng)定時(shí)提醒功能模塊

水杯智能管家系統(tǒng)的定時(shí)功能采用了Arduino定時(shí)器中斷函數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)定時(shí)器。系統(tǒng)中使用Arduino 開(kāi)發(fā)板，它的工作電壓為5V，其供電類(lèi)型有3.3V 和5V 兩種，在進(jìn)行定時(shí)器中斷設(shè)計(jì)，需要將開(kāi)發(fā)板和電腦連接。

首先，中斷是指計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)某些意外情況需主機(jī)干預(yù)時(shí)，機(jī)器能自動(dòng)停止正在運(yùn)行的程序并轉(zhuǎn)入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續(xù)運(yùn)行。這就好比你在讀書(shū)時(shí)聽(tīng)到了敲門(mén)聲，即中斷源向你發(fā)出了中斷請(qǐng)求，你需要放下書(shū)本，先去開(kāi)門(mén)，發(fā)現(xiàn)原來(lái)是外賣(mài)到了。你處理完之后，又回去繼續(xù)讀書(shū)，并從你剛才讀到的地方繼續(xù)往下閱讀。如果你是一個(gè)機(jī)器人的話，你從聽(tīng)到敲門(mén)聲到返回繼續(xù)讀書(shū)的過(guò)程，構(gòu)成了整個(gè)的中斷過(guò)程。寫(xiě)入你大腦中的程序即為軟件處理程序，門(mén)就是中斷裝置。中斷有很多類(lèi)型，此處介紹的為定時(shí)器中斷，即利用板子里的定時(shí)器來(lái)讓中斷定時(shí)發(fā)生，可以精確控制時(shí)間。在寫(xiě)程序之前，需要先在Arduino 開(kāi)發(fā)環(huán)境中導(dǎo)入一個(gè)庫(kù)，即FlexiTimer2 庫(kù)函數(shù)，這個(gè)庫(kù)可以在官網(wǎng)上下載。然后直接打開(kāi)“項(xiàng)目—加載庫(kù)—添加一個(gè).ZIP 庫(kù)”，這時(shí)，你只需要將之前下載的庫(kù)在彈出來(lái)的文件查詢(xún)框中點(diǎn)開(kāi)即可。這時(shí)再點(diǎn)開(kāi)“項(xiàng)目—加載庫(kù)”，會(huì)在下面看到這個(gè)庫(kù)，點(diǎn)擊它，在程序中會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)預(yù)處理命令。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了三個(gè)按鍵對(duì)定時(shí)功能進(jìn)行時(shí)間上的設(shè)置。分別將其中的一個(gè)按鍵作為定時(shí)功能的開(kāi)啟和關(guān)閉，而中間的按鍵設(shè)置為減少定時(shí)時(shí)間的按鈕，最后一個(gè)按鍵功能作為增加定時(shí)時(shí)間的按鈕。

系統(tǒng)定時(shí)提醒功能模塊框圖如下。

圖3 系統(tǒng)定時(shí)提醒功能模塊

3.系統(tǒng)報(bào)警提醒功能模塊

系統(tǒng)采用了無(wú)源蜂鳴器作為報(bào)警硬件。當(dāng)用戶(hù)對(duì)智能水杯管家的定時(shí)功能開(kāi)啟后，蜂鳴器發(fā)出聲音，表示定時(shí)功能已經(jīng)打開(kāi)，并且當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒用戶(hù)飲水時(shí)間到。

圖4 系統(tǒng)報(bào)警提醒功能模塊

4.系統(tǒng)屏幕顯示提醒模塊

本次系統(tǒng)采用了LCD 液晶屏為水杯智能管家的顯示提醒模塊硬件，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，系統(tǒng)通過(guò)將溫度檢測(cè)模塊獲取的水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在顯示模塊上顯示溫馨提醒，讓用戶(hù)能夠?qū)崟r(shí)了解到水杯中水的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。其次，屏幕顯示“TIMER”字樣，這是定時(shí)功能的設(shè)置時(shí)間顯示，當(dāng)用戶(hù)開(kāi)啟系統(tǒng)定時(shí)功能時(shí)，在屏幕上會(huì)顯示“ST”表示現(xiàn)在定時(shí)功能已經(jīng)開(kāi)啟，正在進(jìn)行定時(shí)功能設(shè)置操作，再次點(diǎn)擊按鍵按鈕后，屏幕出現(xiàn)“ON”，表示定時(shí)正在進(jìn)行，當(dāng)定時(shí)結(jié)束后，屏幕出現(xiàn)“OF”時(shí)，表示系統(tǒng)定時(shí)功能處于關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)屏幕提醒模塊框圖如下。

圖5 系統(tǒng)屏幕顯示功能模塊

二、系統(tǒng)創(chuàng)新型設(shè)計(jì)與分析

1.系統(tǒng)水量檢測(cè)功能模塊

在本次系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又獨(dú)自擴(kuò)展了水量檢測(cè)功能，水量檢測(cè)模塊采用了HX711 模塊和一個(gè)3 千克的壓力傳感器套件，對(duì)水杯的重量進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)水的密度，進(jìn)而得到水杯內(nèi)水量多少，并由三種顏色的LED 燈亮起代表水量多少。當(dāng)水杯內(nèi)的水量較少時(shí)，紅燈發(fā)光；當(dāng)水量適中時(shí)，黃燈發(fā)光；當(dāng)水量超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，綠燈發(fā)光。系統(tǒng)水量檢測(cè)模塊框圖如下。

圖 6 系統(tǒng)水量檢測(cè)功能模塊

2.系統(tǒng)GSM 通信模塊

通過(guò)與其他同類(lèi)型的產(chǎn)品比較，該系統(tǒng)創(chuàng)新的采用了通信功能，當(dāng)用戶(hù)開(kāi)啟定時(shí)功能后，定時(shí)時(shí)間到時(shí)，GSM 通信模塊將向用戶(hù)手機(jī)發(fā)送飲水提醒短信。達(dá)到用戶(hù)注意飲水健康的目的。

圖 7 系統(tǒng)通信功能模塊

本文主要研究了對(duì)水杯智能管家的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)學(xué)者對(duì)智能水杯產(chǎn)品目前的用戶(hù)需求，以及對(duì)同類(lèi)型智能水杯產(chǎn)品的調(diào)研，結(jié)合Arduino 程序設(shè)計(jì)和感知模塊的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有測(cè)溫、檢測(cè)水量、定時(shí)報(bào)警以及能與用戶(hù)手機(jī)建立通信的智能水杯系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這一研究以Arduino 控制傳感器等感知硬件，與同類(lèi)型的智能水杯產(chǎn)品進(jìn)行比較，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅能夠滿(mǎn)足大眾需求，而且成本大大的降低。