健康節(jié)能型云智能飲水機設計*

丁 濤

(延安大學 化工學院，陜西 延安 716000)

由于傳統(tǒng)飲水機本身存在水質保鮮、殺菌、節(jié)能及智能等方面的不足以及桶裝水極易造成二次污染，在長時期使用過程中，飲水機內部核心部件會產生一些細菌、雜質及污垢[1]。為滿足人們對生活品質的更高要求，本文設計開發(fā)了一種新型健康節(jié)能型云智能飲水機(以下簡稱新型飲水機)。

1 新型飲水機的功能特點

新型飲水機的功能包括如下3個方面。

1)健康方面。首先，增加了杯子超聲波清洗功能，隨時可以清洗杯子內部滋生的污垢和細菌，避免需要用戶洗杯子，并進一步減少使用一次性杯子；其次，給飲水機設置臭氧殺菌的功能，讓管道時刻處于無菌狀態(tài)；最后，加熱方面相對于傳統(tǒng)熱膽飲水機，采用石英加熱管，達到快速加熱的效果，無需等待，保證水質新鮮，以避免重復加熱和生成陰陽水給人們帶來不利于健康的影響。

2)節(jié)能方面。此飲水機把制冷部分散發(fā)的這部分能量進行回收利用，同時加熱部分也進行高溫蒸汽熱量的冷凝和通過換熱進行降溫成為溫開水并將這部分熱量給進加熱管之前的冷水加熱，從而使水很快加熱到沸點，達到節(jié)能效果。

3)云智能方面。通過給飲水機加入智能硬件，并進行編程開發(fā)，制作出一臺能記錄用戶喝水量和身體狀況，并能根據用戶情況給出相應建議的智能健康管家。

2 控制系統(tǒng)總體方案設計

2.1 控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

2.2 超聲波清洗裝置控制

通過控制超聲波發(fā)生器的通斷實現(xiàn)對超聲波清洗器的控制。超聲波發(fā)生器是由高頻振蕩電路和IGBT管組成的，將其產生的20～40 kHz的頻率，加在超聲波換能器上，即能將電能轉換成超聲波。通過控制超聲波發(fā)生器的通電時間可以控制其清洗時間。在清洗中，使用上級飲水機加熱到高溫的水蒸氣對杯子進行高溫殺毒；清洗完畢后，打開沖洗閥門，對水杯進行沖洗，如要立即使用，可不進行烘干，否則應對杯子進行烘干處理。

2.3 加熱裝置控制

通過對入水口的溫度和出水口的溫度進行連續(xù)測量實現(xiàn)加熱管對水溫的控制。根據入口的溫度，計算出合適的加熱功率，從而選擇加熱管的數(shù)量(最多3根)；通過用戶設置的出水口溫度來控制加熱管，達到智能調溫的目的。

2.4 制冷裝置控制

通過測量制冷管內水的溫度實現(xiàn)制冷端溫度的控制，其溫度應控制在0～4 ℃。由于冷藏室需要通過制冷管來吸熱，所以應在冷藏室內加1個溫度測量傳感器，當冷藏室內溫度<10 ℃，制冷管的溫度<4 ℃時，制冷器將停止工作。

2.5 控制系統(tǒng)界面

采用7 in觸摸屏作為控制系統(tǒng)的顯示界面(見圖2)，在顯示界面上進行所有的操作。

圖2 控制系統(tǒng)界面

3 健康及節(jié)能系統(tǒng)設計

3.1 自動殺菌設計

自動殺菌的原理是通過一個三通閥門，將臭氧發(fā)生器與新型飲水機進水管道進行連接，在殺菌裝置起動后，關閉所有出水閥、進水閥，用戶將不能正常使用飲水機。在起動臭氧發(fā)生器后，打開臭氧發(fā)生器與新型飲水機管路連接的閥門，將生成的臭氧氣體通入到蓄熱箱、加熱管、制冷箱以及所連接的管道，通入一段時間后，關閉臭氧發(fā)生器，等待臭氧轉變成氧氣，即殺菌完成，這時將廢水流入廢水箱內(在進入廢水箱進行一次過濾)供超聲波清洗器使用，排完廢水后打開進水閥，管道注入新鮮水，便可正常使用。殺菌流程如圖3所示，新型飲水機結構如圖4所示。臭氧殺菌后，只產生氧氣、水和二氧化碳，不存在其他殘留物，解決了一般飲水機二次污染和長期使用而滋生細菌等問題，同時省去消毒之后的再次清洗。新型飲水機利用臭氧的強氧化性對其管路、水箱中滋生或殘留細菌進行殺滅，有效保證了飲用水健康[2]。

圖3 殺菌流程

圖4 新型飲水機結構

3.2 超聲波自動清洗設計

3.2.1 工作原理

當超聲波通入到液體中，由于液體振動而產生數(shù)以萬計的微小氣泡(即空化泡)，這些氣泡在超聲波中縱向傳播形成的負壓區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負壓強下受到壓縮和拉伸。在形成的氣泡突然破裂的一瞬間能產生幾百到上千個大氣壓力，這種不斷生成并破裂的空化泡產生強烈的微爆炸和沖擊波代替了人的雙手去搓洗杯子[3-4]，使杯子表面的污物遭到破壞以至于迅速脫落，從而達到清洗杯子的目的。清洗流程如圖5所示。

圖5 超聲波清洗流程

3.2.2 外型設計

為了方便用戶使用和節(jié)約成本，把超聲波自動清洗裝置放在新型飲水機接水口的下方位置(即傳統(tǒng)飲水機的接水盒位置)。其頂蓋是平展、透明的方蓋，平展合適放杯子接水，透明是方便觀察清洗機內部的清洗情況。頂蓋尺寸長度為30 cm，寬度為10 cm，厚度為1 cm，其外型材質和新型飲水機的機身材質是一致的。該清洗裝置是新型飲水機內部的一部分，其尺寸長度為30 cm，寬度為20 cm，高度為20 cm。在新型飲水機機身上的觸摸屏中有按鈕裝置，分別設置為ON、OFF和SET，其中，SET按鈕是調定時時間；ON是開機按鈕；OFF是關機按鈕。按鈕上方有1個數(shù)碼管顯示屏，顯示其定時可調時間段(5段：90、180、280、380和480 s)。該超聲波清洗裝置采用智能芯片控制，自動停機，操作簡單，更加人性化。

3.2.3 內膽設計

內膽材質采用304不銹鋼材料。304不銹鋼表面美觀，耐腐蝕性能好，耐高溫氧化及強度高，不需表面處理，維護簡單，清潔，光潔度高，是直接與食物接觸的食具器皿不銹鋼材料，不容易析出有害重金屬元素。內膽有凹槽，使內膽與換能器粘接牢固。內膽尺寸長度為25 cm，寬度為15 cm，深度為15 cm。內膽可從旁邊裝入該裝置內部，在頂蓋上固定。在內膽中裝3個倒錐臺，下錐面圓的直徑為6 cm，上錐面圓的直徑為3 cm，高度為8 cm，在內膽中先鉆好6個相應的螺釘孔，以便需要錐臺時安裝并使用。錐臺的作用是占用水的布局空間，節(jié)約清洗用水。再配置1個清洗籃，避免玻璃杯與不銹鋼內膽直接接觸，便于玻璃杯的清洗。

3.3 加熱與制冷設計

3.3.1 加熱裝置設計

本文采用石英玻璃電熱膜加熱管。相對于傳統(tǒng)的加熱管，其不但具有傳統(tǒng)加熱管所具有的優(yōu)點特性，同時其本身不消耗熱量，熱慣性小，具有更快的熱響應速度(通電升溫快，斷電降溫快)。

加熱裝置采用3根內徑d為10 mm、外徑D為14 mm、長度h為150 mm的加熱管。加熱管的額定功率P為800 W，熱效率η為96%；水的密度ρ為1 000 kg/m3，比熱容C為4.2×103J/(kg·℃)。在工作過程中，關于水吸收的熱量、消耗的電能和熱效率計算式如下。

1)水吸收的熱量。計算公式如下：

Q吸=CmΔt=Cm(t2-t1)

(1)

式中，m是加熱的水的質量；t1是初始溫度；t2是終態(tài)溫度。

2)消耗的電能。計算公式如下：

W=Pt

(2)

式中，t是加熱所需時間。

3)熱效率。計算公式如下：

(3)

將已知參數(shù)帶入式1～式3，可計算得出如下參數(shù)。

1 000×3=3.53×10-2(kg)

Q吸=cmΔt=4.2×103×3.53×10-2×75=

11 119.5 (J)

加熱時水的流速為：

采用該加熱裝置加熱時間短，能真正做到邊加熱邊出水，出水穩(wěn)定，電熱轉換效率高。

3.3.2 制冷裝置設計

本裝置制冷采用半導體制冷技術[5-7]，其利用特種半導體材料構成的P-N結，形成熱電偶對，產生帕爾帖效應，是一種通過直流電制冷的新型制冷方法。

半導體制冷器是建立在帕爾帖基礎之上的制冷器件，采用半導體材料，當1塊N型和1塊P型半導體制冷原件構成溫差電偶，通直流穩(wěn)流電源時，在溫差電偶臂就會發(fā)生能量轉移，達到制冷效果，當溫差電偶達到熱平衡時，能夠吸熱(即制冷量)。所以，經過半導體制冷片的作用，一方面滿足用戶冰水的需求，另一方面將能量給需加熱的水，提高了進入到換熱器的溫度，從而提高了加熱的初始溫度，需要的電能也隨之減少，實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

4 云智能硬件及軟件系統(tǒng)設計

4.1 硬件設計

要實現(xiàn)將飲水機數(shù)據和用戶數(shù)據上傳，需要飲水機本身硬件的支持，主要選用開源硬件，目前的開源硬件主要有樹莓派、香蕉派和nodepi等，本文采用最熱門的樹莓派。智能硬件系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 智能硬件結構

4.2 軟件設計

4.2.1 兒童與老人特有設置

新型飲水機具有兒童鎖鍵功能，解鎖流程圖如圖7所示。通過指紋識別兒童用戶，兒童用戶一般不能打開熱開水，但可以在屏幕上玩。還具有語音輸出，能博得小孩的喜愛。

圖7 新型飲水機屏幕解鎖流程圖

對于老年人用戶，由于界面設計簡單，常用的基本功能都在主界面顯示，所以，他們也不怕不會使用該款飲水機，而且還具備定時播報和提醒及時喝水的功能。對于患有癡呆癥的老年人，可設計為無論點開水、冰水和溫水按鈕，一律都只出溫水，以防止他們直接喝下開水。

4.2.2 用戶信息設置

當普通用戶第1次使用時，需要填寫用戶名、密碼等必要信息，其設置界面如圖8所示。

圖8 個人信息設置界面

4.2.3 飲水量計量

飲水量測量流程如圖9所示。

圖9 飲水量測量流程

4.2.4 數(shù)據采集與上傳

進行飲水量健康數(shù)據采集，并上傳至服務器。數(shù)據上傳格式見表1。

表1 飲水量健康數(shù)據上傳格式

4.2.5 云系統(tǒng)結構設計

新型飲水機云系統(tǒng)架構如圖10所示。該飲水機具有聯(lián)網功能，可與云服務器進行連接，同款飲水機聯(lián)網時能實現(xiàn)數(shù)據一致性。用戶可以通過云端服務器查看家人飲水信息數(shù)據和自家飲水機的運行狀況。根據長時間記錄的數(shù)據，可給出用戶一些健康飲水建議，從而實現(xiàn)更貼心的、人性化的服務。

圖10 智能飲水機群接入云端圖

4.2.6 飲水機管理用戶綁定與認證

初次使用飲水機時，先進行云服務器綁定、賬號注冊和賬號與硬件相互綁定，一般允許1個賬號綁定多臺智能飲水機。

5 結語

互聯(lián)網把人與人聯(lián)系在一起，物聯(lián)網[8]把物與物聯(lián)系在一起，新型云智能飲水機是把人和物聯(lián)系在一起，利用大數(shù)據技術，對有關飲水機的數(shù)據進行分析并存儲起來，并為人們進行預測，給人們提出健康飲水建議，不僅是為了用戶更好地和飲水設備進行交互，還為廠家提供了一條與用戶交互的通道，為用戶提供更便捷的售后服務。

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