基于藍(lán)牙通信的智能飲水消費(fèi)系統(tǒng)

黃志，徐同文、2，吳文芳

（1.延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安，716000；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安，716000）

0 引言

飲水機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ?、辦公場所高頻率使用的生活電器，在國內(nèi)外有著巨大的市場[1]。但是傳統(tǒng)飲水機(jī)存在很多問題，使用IC卡造成浪費(fèi)資源增加人力管理成本是很突出的問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的更新?lián)Q代，一些傳統(tǒng)的飲水設(shè)備已經(jīng)開始陸續(xù)換代，互聯(lián)網(wǎng)飲水機(jī)逐漸取代傳統(tǒng)IC卡飲水機(jī)[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)飲水機(jī)相比傳統(tǒng)的IC卡飲水機(jī)而言減少了以往的人力管理投入。但在日常的使用過程中，時(shí)常會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)信號不良的情況導(dǎo)致飲水機(jī)使用困難。鑒于此情況提出基于藍(lán)牙通信的智能飲水消費(fèi)系統(tǒng)。此飲水系統(tǒng)通過藍(lán)牙通信功能進(jìn)行飲水消費(fèi)，避免了在網(wǎng)絡(luò)不良情況下無法飲水消費(fèi)的問題[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由飲水機(jī)和客戶端兩個(gè)部分組成?？蛻舳送ㄟ^藍(lán)牙和飲水機(jī)建立連接，建立連接后客戶端可以下達(dá)工作指令，飲水機(jī)通過藍(lán)牙接收的指令完成相對應(yīng)的工作并完成出水流量的監(jiān)控，等到飲水機(jī)結(jié)束出水時(shí)通過藍(lán)牙向客戶端發(fā)送出水量數(shù)據(jù)，客戶端會(huì)根據(jù)出水量及本時(shí)期的單位水費(fèi)進(jìn)行計(jì)算并扣除相應(yīng)的金額。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

■1.2 飲水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于藍(lán)牙通信的校園飲水消費(fèi)系統(tǒng)的硬件部分主要由藍(lán)牙通信、出水控制與計(jì)量、智能加熱三個(gè)部分組成。飲水機(jī)工作原理圖如圖2所示。

圖2 飲水機(jī)工作原理圖

藍(lán)牙連接與數(shù)據(jù)傳輸：建立客戶端與飲水機(jī)的通信連接，接收客戶端的工作指令并且在飲水機(jī)停止出水時(shí)反饋用戶的消費(fèi)數(shù)據(jù)到客戶端。既保證了網(wǎng)絡(luò)不良狀態(tài)下的正常飲水又可以及時(shí)反饋消費(fèi)數(shù)據(jù)。

出水量控制與計(jì)量：當(dāng)飲水機(jī)出水時(shí)，水的流動(dòng)導(dǎo)致帶有磁性轉(zhuǎn)子的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此磁性轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并切割磁感應(yīng)線圈，根據(jù)霍爾效應(yīng)霍爾元件上產(chǎn)生高低脈沖的輸出電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號的頻率水流量成正比，所以測量霍爾元件單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)就可以精確測得出水量?；魻柫髁块y的工作原理圖如圖3所示。

圖3 霍爾流量閥的工作原理圖

智能加熱：在飲水機(jī)不進(jìn)行出水時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入智能加熱狀態(tài)。微控制器通過溫度傳感器監(jiān)測水箱中熱水的溫度，當(dāng)水溫低于閾值時(shí)微控制器控制繼電器閉，熱電阻進(jìn)行工作；當(dāng)溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)保持一段時(shí)間繼電器斷開熱電阻停止工作。智能加熱控制原理圖如圖4所示。

圖4 智能加熱控制原理圖

■1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 飲水機(jī)程序設(shè)計(jì)

飲水機(jī)程序系統(tǒng)在藍(lán)牙沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，飲水機(jī)對熱水水箱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。微處理器通過溫度傳感器測量熱水水箱溫度，將測量的溫度與閾值進(jìn)行對比，低于閾值通過熱電阻加熱達(dá)到閾值后停止加熱。在客戶端通過藍(lán)牙連接飲水機(jī)控制系統(tǒng)，飲水機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)不斷查詢判斷客戶端的指令，并通過對指令的判斷完成出直飲水或熱水的工作，完成出水工作后給客戶端發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)。飲水機(jī)程序流程如圖5所示。

圖5 飲水機(jī)程序流程圖

1.3.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端界面擁有“設(shè)備連接”、“直飲水”、“熱水”三個(gè)按鈕及賬戶余額、已連接設(shè)備、單次消費(fèi)數(shù)據(jù)的顯示面板?？蛻舳私缑媸疽鈭D如圖6所示?？蛻舳送ㄟ^用戶主動(dòng)連接飲水設(shè)備，通過觸摸對應(yīng)按鈕向飲水機(jī)發(fā)送指令完成具體工作。

圖6 客戶端界面示意圖

2 器件選型

■2.1 微控制器

51單片機(jī)有一套完整的位處理器,處理對象是位，輸入輸出管腳功能簡單管腳數(shù)量少,管腳在高電平是沒有輸出能力;運(yùn)行速度慢,管腳沒有保護(hù)電路容易造成芯片損懷。

MSP430系列單片機(jī)處理能力強(qiáng)大,具有精簡的指令集(RISC)，同時(shí)尋址方式多樣,信號處理運(yùn)算速度快,在8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns 。但指令占據(jù)內(nèi)存空間較大,因?yàn)槭?6位單片機(jī),程序以字為單位,有些指令會(huì)占到6個(gè)字節(jié)。雖然程序看上去上簡短,但實(shí)際占用空間很大。

為了滿足基于藍(lán)牙通信的飲水消費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，MCU需要通信接口、精準(zhǔn)的時(shí)鐘、較快的信號處理能力、體積小功耗低、成本低的特點(diǎn)。STM32f103系列是基于ARM Cortex M3架構(gòu)的微控制器，與51單片機(jī)相比，具有運(yùn)算速度快、時(shí)鐘資源豐富、工作狀態(tài)的功耗低等特點(diǎn)。STM32F103C6T6是 一 款48腳 封 裝，主 頻 為72MHz的低功耗微控制器。在系統(tǒng)中用到的傳感器較少，相對于STM32F103C8T6和MSP430而 言 使 用STM32F103C6T6既能滿足系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的需求留有一定的片上資源，又可以避免冗余大量的I/O和運(yùn)算資源，同時(shí)STM32F103C6T6的成本非常低。

■2.2 通信模塊

ZigBee是一種新的短距離的通信技術(shù)，具有成熟的通信協(xié)議。局部組網(wǎng)的強(qiáng)大功能，具有通信速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也很明顯，ZigBee通信頻率為2.5G，信號的衍射能力弱容易受到各種物體的影響導(dǎo)致信號減弱。由于ZigBee技術(shù)出還不成熟導(dǎo)致芯片生產(chǎn)成本貴應(yīng)用范圍單一。

藍(lán)牙通訊是短距離通訊技術(shù)的一種,它可以充當(dāng)主角色、從角色和回環(huán)角色,角色可以通過豐富AT指令集進(jìn)行切換，不同角色之間使用同一通訊協(xié)議。方便二次的開發(fā)與應(yīng)用。其中HC05藍(lán)牙通信模塊是一款高性能的主從一體的通信模塊。具有成本低廉、體積小巧、功耗低、收發(fā)信號靈敏、數(shù)據(jù)不易失真等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究的客戶端是基于手機(jī)實(shí)現(xiàn)，為了滿足客戶端的使用條件，系統(tǒng)通信選擇藍(lán)牙HC05進(jìn)行通信。使用HC05進(jìn)行通信既方便客戶端與飲水機(jī)硬件的連接，保證了通信的穩(wěn)定以及成本的控制。所以本系統(tǒng)選擇二次開發(fā)簡單、通信穩(wěn)定、成本低的HC05藍(lán)牙通訊模塊。

3 飲水機(jī)硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

飲水機(jī)硬件采用STM32C6T6作為系統(tǒng)的控制核心，其封裝管腳圖如圖7所示。其連接了一個(gè)HC05通信模塊、兩個(gè)霍爾流量閥、加熱模塊及溫度測量模塊。

圖7 STM32F103C6T6封裝管腳圖

STM32F103C6T6通過HC05接收客戶端實(shí)時(shí)的指令，更具具體的指令控制對應(yīng)的“直飲水”霍爾流量閥或“熱水”霍爾流量閥，同時(shí)通過MCU的時(shí)鐘對霍爾流量計(jì)閥進(jìn)行監(jiān)控采集出水量的數(shù)字信息。在HC05沒有接收信息時(shí)MCU通過加熱模塊和溫度測量模塊對飲水機(jī)中的熱水進(jìn)行溫度控制。系統(tǒng)整體的電路設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙通信的智能飲水消費(fèi)系統(tǒng)。系統(tǒng)由智能溫度控制、出水量控制及監(jiān)測、藍(lán)牙通信三個(gè)部分組成。完善了現(xiàn)有飲水消費(fèi)系統(tǒng)的不足，解決了在網(wǎng)絡(luò)信號不好和斷網(wǎng)時(shí)的特殊情況下的飲水困難的現(xiàn)狀。與傳統(tǒng)的飲水消費(fèi)系統(tǒng)相比本系統(tǒng)更加完善，更加方便，減少了飲水消費(fèi)系統(tǒng)的限制，為人們的生活提供了便利，讓日常飲水不在受網(wǎng)絡(luò)好壞的限制。將技術(shù)與實(shí)踐完美融合進(jìn)而降低系統(tǒng)的成本將是本研究以后研究的內(nèi)容。