基于物聯網的智能杯墊設計

李澤豪

（華南師范大學，廣東廣州，510006）

0 引言

當今快節奏的生活方式，使得人們在忙于各類事工作事物時，常常忘記了按時飲用杯中的水來給自己身體補充水分，而當人們想起要飲用時，杯中的水的水溫早已不適宜飲用了。在這種背景下，許多保溫杯墊應時而生。但是目前的保溫杯墊，功能較為單一，不具備手機端APP遠程控制功能，還存在著以下的不足：沒有定時提醒用戶飲水的功能；不具備飲水量監測功能；不能依據個人喜好設定自己的飲水習慣等。而本文設計的智能杯墊，在改進了以上問題的基礎上，還加入了物聯網功能，使得用戶可以在手機端APP查看每日的飲水量和設定補水提醒的時間間隔，大大提升了使用的便捷性和用戶的體驗感。

1 系統的硬件設計

■ 1.1 控制核心及總體構成框圖

基于物聯網的智能杯墊由STC15F2系列微控制器和各類傳感器及外圍電路構成，其構成框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智能杯墊的構成框圖

為了最大化降低生產成本和提高產品落地的可行性，本智能杯墊采用了晶宏STC15F2K60S2系列MCU作為控制器。它的內部集成了RC振蕩電路，因此無需外接晶振，有利于減少產品的體積和生產成本。不僅如此，它在集成了38個I/O口、2路UART和2K字節的大容量SRAM的同時，還具有超低價位、超低功耗和高可靠性的特點[1]，能夠滿足智能杯墊的數據采集和控制的要求。

■ 1.2 壓力傳感器模塊

為了監測用戶的飲水量，該杯墊使用了精度達24bits的 HX711模數轉換模塊來采集壓力傳感器的數據[2]。由于水的密度是不變的，所以可以從水杯重量的變化值，推導出飲水量的多少。具體計算如下：

式中：Vi為第i次飲用后水杯中剩余的水的體積，mi為第i次飲用后水杯和水的總重量，VΔ為本次的飲水量。并為了計算方便，取ρ水=1.0g/cm3。

■ 1.3 溫度傳感器模塊

溫度檢測功能使用了DS18B20數字溫度傳感器[3]，其測量范圍為-55℃~125℃，分辨率達±0.5℃，能夠滿足水杯溫度的精確采集要求，使得控制器能夠根據水杯底部的溫度值與設定的閾值作對比，完成自動加熱保溫功能。

■ 1.4 ESP8266 WiFi模塊

為實現高質量地、穩定地與服務器無線通信，該杯墊選用了安可信公司的ESP-01模塊。該WiFi模塊的傳輸距離可達400米左右[4]，同時它采用AT指令與單片機進行通信[5]，通信時只需要1路UART口即可完成，減少了不必要的連接線，有利于集成化設計，減小產品的體積。

■ 1.5 環形陶瓷加熱片

為確保能夠安全地、較快地加熱杯中的水，該杯墊選直徑為48 mm、最大功率可達12 W的MCH氧化鋁陶瓷加熱片。但因為氧化鋁陶瓷加熱片的溫度特性曲線不夠平滑，且加熱過程中容易受到外界的干擾，存在測量傳送的滯后問題，所以該杯墊使用了PID控制的思想對加熱過程進行調控，使得陶瓷加熱片的功率可隨水溫的高低而動態調整，防止因為某些因素導致過度加熱的情況發生[6]。PID模型的具體參數計算方法如下：將溫度傳感器作為PID控制系統的閉環反饋回路，求出當前的溫度值與設定的溫度值之間的偏差，代入PID的計算公式即可求出相應的參數[7]。

2 系統的軟件設計

■ 2.1 機智云物聯網平臺的接入

本文選擇的機智云平臺是廣州杰升信息科技有限公司開發的一款物聯網服務平臺，它具有友好的開發環境，能幫助開發者在短時間內完成產品的開發[8]。在機智云開發者中心創建好“智能杯墊”的工程后，需要根據自己的需求創建相關的數據點，以便實現從平臺到手機端數據類型和功能的匹配。在本文中，共設定了5個數據點，具體如表1所示。

表1 機智云平臺設定的數據點

當設定好數據點后，便可在機智云平臺自動生成SCT15F2K60S2系列MCU的Keil C51底層代碼，減少產品開發的時間和工作量，降低開發成本。為了使智能杯墊能夠被機智云平臺唯一識別，需要將機智云平臺的產品號（Product Key）和產品密鑰（Product Secret）添加到Keil C51工程下的gizwits_product.h頭文件中，并在主循環中添加以下的語句，以便實現飲水量數據的上傳。

currentDataPoint.valueToday_Water = Water;

//將本地測量的飲水量上傳到機智云服務器

完成上述操作后，智能杯墊才能通過WiFi網絡接入到機智云服務器中，并將數據點的數據發送到服務器。

■ 2.2 溫度和飲水量的采集

在溫度測量方面，使用DS18B20進行水杯底部的溫度采集時，為了盡可能的減少其他不確定因素對溫度數據的影響，采用了多次測量取平均值的方法，即：連續對水杯底部的溫度測量3次，然后用3次的平均值作為本次測量的結果，再進行相關處理分析。溫度數據處理的代碼如下：

在測量飲水量方面，由于是根據水杯的重量變化量來間接獲取用戶的飲水量大小，因此需要MCU不斷掃描壓力傳感器的重量值，以確保能夠及時捕捉到重量發生變化的事件。而當壓力傳感器讀取到一個變化的壓力值后，會將上一次測量的重量值減去當前的重量值，以便得到本次變化量的大小。由于飲水后，水杯的重量會減少，因此只有這個變化量為正值時，才能判定為用戶進行了一次飲水行為，否則判定為用戶往杯中加入了水的行為。當判定為飲水行為后，根據重量的變化量，代入（1）、（2）式中便可求出本次用戶的飲水量，并將其記錄到機智云服務器，即可實現飲水量的監測功能。若判定為往水杯中加水的行為后，則將本次的重量值更新為下一次重量差值計算的被減數，以便下次監測到用戶飲水時能正確求得飲水量。具體的采集流程如圖2所示。

圖2 溫度與飲水量的采集流程圖

■ 2.3 定時飲水提醒

為實現定時提醒用戶飲水功能，本文選用了MCU內部集成定時器0（T0）來完成定時計時功能。當用戶在手機端APP設定好提醒間隔并開啟定時提醒功能后，將會使能MCU的計時標志位counter_flag，使得計時值在定時器0的作用下從0開始每隔一秒鐘便加1。

當計時值與用戶設定的提醒時長相等時，將通過杯墊內置的蜂鳴器提醒用戶按時飲水，同時也會在手機端APP發出相應的提示，確保用戶不會錯過任何一次補水提醒。如果在計時途中，計時值未到提醒時長便監測到用戶進行了一次飲水行為時，將會自動重置計時值，使計時器能從用戶飲水后的時刻開始，重新計時，避免了一個提醒周期內重復提醒用戶飲水的情況發生。

■ 2.4 恒溫功能

恒溫功能主要由快速加熱控制和PID控制構成。為了使較低的水溫能夠迅速地達到設定的保溫溫度值，此處采用了分段控制的思想，即：溫度低時不采用PID控制，而是采用快速加熱控制使加熱片處于最大功率狀態。只有當水溫高于15℃時，PID控制才會介入，從而改變PWM的占空比使得陶瓷加熱片的加熱功率隨著水溫的改變而變化。這樣做的好處是，使得對水杯中的水快速加熱之外，也能使得水溫最終維持在一個固定的值。

當水溫高于15℃后，PID控制介入，此時溫度傳感器采集到的當前溫度值將作為PID控制的反饋量，PID控制函數會反復地將其與目標溫度值進行比較，每次比較后都會返回一個PID控制量。PID控制量與上次的定時器計數值共同決定本次的PWM占空比，進而實現動態控制陶瓷加熱片的加熱功率，達到恒溫控制的目標。PID算法的部分代碼如下所示：

■ 2.5 主程序的設置

主程序包含以下幾個部分，首先是對內部資源（定時器T0和T1）、外部設備（按鍵、DS18B20溫度傳感器、HX711模數轉換模塊等）進行初始化，然后才開始執行主循環中的各個子函數。其中主循環中的按鍵掃描用于識別智能杯墊上的各個按鍵狀態，機智云數據點的傳輸函數負責MCU與服務器之間的數據點交互，定時飲水提醒函數則會按照設定的飲水提醒間隔自動提醒用戶飲水，恒溫控制函數現實PID恒溫控制。

每執行一次主循環，就會采集一次溫度數據和壓力傳感器的數據，避免遺漏任何一次數據的變化。采集完后，再根據溫度和飲水量的相關計算方法，對采集到的數據進行處理分析。主程序的具體流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3 測試方法和結果

為了檢驗所設計的智能杯墊能否按照設想的功能正常執行，評估智能杯墊恒溫控制和飲水量監測功能的誤差大小，以方便后期對智能杯墊加以優化與改進，本文對智能杯墊的各個功能分別作了測試。測試時的環境溫度為17℃，水杯中的水溫為20℃，具體測試方法與結果如下：

■ 3.1 手機端遠程控制功能測試

打開手機端的機智云APP并綁定該智能杯墊，然后在手機上觀察“今日的飲水量”，同時調節各個參數的值，觀察智能杯墊能否正確按照所設定的參數值給予相應的反饋。由圖4可以看到，智能杯墊能按照各個參數值，正確執行相應的功能。

圖4 手機端APP實測圖

■ 3.2 恒溫功能測試

在玻璃杯中加入100mL、20℃的溫水，打開恒溫功能，并設定恒溫溫度為30℃。等待10分鐘，再用溫度計測量杯中的水溫，測得水溫在29°附近。雖然有些許偏差，但是總體上實現了PID恒溫控制功能，誤差在用戶能夠接受的范圍內。

■ 3.3 定時飲水提醒功能測試

設定定時提醒的時間間隔為30分鐘。當放下水杯后，用秒表開始計時，靜待杯墊的蜂鳴器報警提醒。經過多次測試，杯墊均能在30分鐘后，精確地發出提醒信號，定時飲水提醒功能可達到預期的設想。

■ 3.4 飲水量監測功能測試

將盛有500mL水的水杯放置在智能杯墊上，每次倒去100mL的水再放回杯墊上，觀察并記錄杯墊測量的飲水量大小，測試結果如表2所示。從表中可以看到，該智能杯墊能夠較好地測量飲水量，雖然存在一定的誤差，但誤差均比較小，不影響用戶的體驗。

表2 飲水量監測結果

4 總結

本文設計的基于機智云物聯網平臺的智能杯墊，通過溫度傳感器來獲取水溫并作為PID控制的反饋參數，達到恒溫功能；通過HX711采集壓力傳感器的重量變化，實現飲水量監測功能；通過機智云物聯網平臺的接入，實現了手機端APP控制和定時補水提醒功能。以上功能的增加，既解決了現有的加熱保溫杯墊存在的不足，又提升了產品的智能程度和使用的便捷性。此外，該智能杯墊還兼具生產成本低，制造簡單，可靠性高的特點，使得它具有較好的市場前景。若后期對手機端APP的界面加以優化，令整體界面更加整潔高效，同時改進飲水量測量算法和PID控制算法，還能進一步提高產品的競爭力。