基于物聯(lián)網(wǎng)的智能飲水機的設(shè)計

引 言

目前市場上的普通飲水機在使用過程中，其智能性和安全保障等方面都存在明顯缺陷。經(jīng)調(diào)查表明，目前我國飲水機保有量約 1 億臺，年增 30 多萬臺，而普通飲水機每年的耗電量在 200 多度以上，那么全國每年將在這方面損失 260 多億度電[1]。

為了進一步了解當(dāng)前飲水機的智能功能，特對市面上飲水機的主要品牌如美的、安吉爾、沁園、浪木等進行調(diào)研 [2]。發(fā)現(xiàn)目前市場上的飲水機一般具備防干燒，兒童鎖功能，少部分飲水機具備智能感應(yīng)功能，但將這些功能集于一身的飲水機卻還未發(fā)現(xiàn)。市場上四個主要品牌的功能對比見表1 所列。

目前，普通飲水機存在重大安全隱患，如干燒、陰陽水混合等。為解決目前普通飲水機存在的問題，本文設(shè)計出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能飲水機，旨在通過信息化手段，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)進行智能算法分析，通過單片機對保溫桶隔熱板進行開關(guān)智能化控制，使加熱桶與外界環(huán)境隔熱。此智能飲水機不僅降低了耗電量，避免了飲水機干燒存在的安全隱患， 還可以有效解決飲用水反復(fù)加熱、陰陽水混合等問題，對人體的健康和財產(chǎn)安全具有深遠影響。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。水， 是生命之源。所以，飲用水對人體健康起到了關(guān)鍵作用。日常飲水機中的水反復(fù)加熱會產(chǎn)生大量亞硝酸鹽，大大增加了患癌癥的幾率。本文利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)實現(xiàn)了對飲水機的智能控制。解決了飲水機中的飲用水反復(fù)加熱、陰陽水混合、耗電量大等問題。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能飲水機設(shè)計方案

飲水機的智能化設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計理念，將水位傳感器、水溫傳感器與單片機完美結(jié)合，該飲水機可以實現(xiàn)智能控制和人為控制，主要實現(xiàn)對水溫的設(shè)置、水位檢測、顯示等功能，當(dāng)水位達到某特定值時，水位傳感器感應(yīng)探頭便將感知到的信息反饋給單片機，單片機通過控制電磁閥實現(xiàn)對保溫桶飲用水進入的智能化控制。飲水機結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能飲水機的總體設(shè)計方案

該智能飲水機的設(shè)計主要實現(xiàn)對飲水機保溫桶中飲用水的智能化控制，通過水位傳感器進行檢測，達到特定水位時響應(yīng)，并將采集到的信息數(shù)據(jù)反饋給單片機，通過單片機中的繼電器發(fā)送信息對保溫桶中的隔熱擋板進行智能化控制，以實現(xiàn)對飲用水進入保溫桶的智能化控制。涉及的硬件有單片機開發(fā)板、水位傳感器、性能良好的隔熱擋板等，可利用水位傳感器實現(xiàn)對隔熱擋板的閉合控制。智能飲水機工作流程圖如圖 2 所示。

(1) 利用水位傳感器進行判斷（設(shè)上水位感應(yīng)探頭為 P1， 下水位感應(yīng)探頭為P2），將采集到的水位信息反饋給單片機。

(2) 單片機將接收到的水位數(shù)據(jù)進行分析判斷，若水位低于P1且低于P2，則通過繼電器將隔熱擋板打開，飲水機中的水流入加熱桶中，當(dāng)水位達到 P1時，擋板關(guān)閉。

目前，市面上的飲水機功能單一，絕大多數(shù)只有加熱或制冷功能，無法對飲水機的水溫實現(xiàn)精確控制。但在日常生活中，我們對不同用途的飲用水溫度需求是不同的。如沖咖啡的最佳溫度為 65 ℃，泡茶溫度為 80 ℃等[2]。為解決這些問題， 使用戶能夠隨時隨地、隨心所欲地實現(xiàn)對飲水機開關(guān)、溫度的智能化控制，本文采用App 對飲水機實現(xiàn)遠程控制，用戶無論在室內(nèi)或室外，通過App 可以實現(xiàn)對飲水機的遠程操作， 并通過移動終端向溫度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，傳感器再將信息發(fā)送給數(shù)碼管，實現(xiàn)對飲水機水溫的智能化控制，從而使用戶可以根據(jù)個人對飲用水溫度的需求進行智能設(shè)定。

1.2 智能飲水機主要設(shè)備

該智能飲水機軟硬件相結(jié)合，通過水位傳感器感知，將信息反饋給單片機，單片機通過繼電器控制擋板的開關(guān)控制水流入加熱桶。

該智能飲水機的設(shè)計不僅成本低，還體現(xiàn)出了節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念。整個系統(tǒng)主要由隔熱擋板、水位傳感器、單片機、電磁閥等組成。飲水機結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示。

為減少飲水機加熱的次數(shù)，就需要隔熱擋板具有良好的隔熱性能，因此，本設(shè)計選用真空隔熱板（VIP 板）作為隔熱擋板，它是真空保溫材料中的一種，由填充芯材與真空保護表層復(fù)合而成，可有效避免空氣對流引起的熱傳遞，因此導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，小于 0.035 W/（m2·k），且不含任何 OD 材料，具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性，是目前世界上最先進的高效保溫材料[3]。

為了精確感知水位，及時將水位信息反饋給單片機，本設(shè)計選用DF-96A 水位傳感器。該傳感器采用集成電路，并結(jié)合加熱桶上、下水的水位分級提升進行設(shè)計，具有上下水位聯(lián)合控制及缺水保護等功能，其負載電流為 5 A。

為保證單片機能及時控制繼電器，以控制隔熱擋板的開關(guān)，本設(shè)計采用STC89C52 單片機。STC89C52 單片機不僅功耗低，具有高性能 CMOS 8 位微控制器，還具有 8 K 可編程Flash 存儲器。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

本設(shè)計除了擁有良好的硬件系統(tǒng)外，還與軟件相結(jié)合， 實現(xiàn)軟硬件之間的互補，以更好地實現(xiàn)智能化控制。本設(shè)計將所有控制程序?qū)懭隨TC89C52 單片機。

用一個函數(shù)來接收水位傳感器反饋的值。

將所得值傳給另一個處理函數(shù)，由函數(shù)分析返回的值是否符合函數(shù)要求，若符合，則進行下一步分析，若不符合， 則丟掉。

返回值符合要求后，將返回值與標(biāo)準(zhǔn)值對比，判斷加熱桶中是否需要水。由于繼電器與水位傳感器相連，當(dāng)水位傳感器返回值符合標(biāo)準(zhǔn)后，單片機便控制繼電器打開隔熱擋板， 水流入加熱桶內(nèi)，否則隔熱擋板關(guān)閉。

2 結(jié) 語

隨著人們生活水平的提高，飲水機已成為家庭生活中不可缺少的一部分。但普通飲水機在水質(zhì)保鮮、耗電量、智能控制等方面存在明顯不足，對人類健康有潛在危害。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能飲水機，通過傳感器進行智能控制，不僅飲水機的耗電量明顯降低，還可保證人們喝上安全放心的飲用水，為創(chuàng)建新型環(huán)保城鎮(zhèn)，實施可持續(xù)發(fā)展，共建和諧社會起到了推動作用。