基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)飲水機(jī)功能單一、能耗高、無(wú)法精確注水和難以獲取飲水機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能飲水機(jī)。以樹(shù)莓派（Raspberry Pi 4B）作為核心控制器，集成了智能水杯高度檢測(cè)、自動(dòng)注水、水溫控制、環(huán)境檢測(cè)和語(yǔ)音提醒等多個(gè)模塊。同時(shí)，采用PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)注水速度的精確控制，以適應(yīng)不同材質(zhì)和大小的水杯。此外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)云智能APP的操作界面，使用戶可以遠(yuǎn)程查看和控制飲水機(jī)的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)飲水機(jī)的水杯參數(shù)、注水速度和水溫控制等功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該飲水機(jī)性能穩(wěn)定，并達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；樹(shù)莓派；智能飲水機(jī)；PID控制；移動(dòng)終端；水杯高度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）07-00-05

0 引 言

水是維持人類生命的基本要素。在日常生活中，飲水機(jī)在滿足人們的飲水需求方面起到了關(guān)鍵作用[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備互聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)，這極大提升了飲水機(jī)的智能化程度和用戶使用的便利性[2-3]。

盡管飲水機(jī)技術(shù)研究取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于單片機(jī)的智能飲水控制系統(tǒng)，不過(guò)其僅著眼于飲水機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)，未對(duì)飲水機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51的智能飲水機(jī)，雖利用多組紅外傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量水杯水位高度，卻缺少對(duì)水杯高度的自動(dòng)測(cè)量功能，這使得不同材質(zhì)和大小的水杯無(wú)法被精確注水；而且采用的藍(lán)牙通信方式在傳輸范圍和效率方面相較于無(wú)線局域網(wǎng)通信方式存在局限性。文獻(xiàn)[6]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依據(jù)視覺(jué)信息判斷飲水機(jī)狀態(tài)，然而缺乏更多交互方式，可能會(huì)降低用戶交互的豐富性。

為了解決現(xiàn)有飲水機(jī)存在的問(wèn)題，本文以樹(shù)莓派作為核心，集成傳感器和飲水機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能飲水機(jī)。該飲水機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別不同材質(zhì)和大小的水杯，并通過(guò)PID算法進(jìn)行精確注水，從而避免水資源浪費(fèi)和用戶燙傷風(fēng)險(xiǎn)。為了提高用戶的交互體驗(yàn)，該設(shè)計(jì)還增加了語(yǔ)音交互功能。用戶可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和監(jiān)控飲水機(jī)的狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能飲水機(jī)系統(tǒng)分為硬件層面和軟件層面兩個(gè)部分，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在系統(tǒng)的硬件層面，選用樹(shù)莓派作為主控模塊。同時(shí)，配備智能水杯高度檢測(cè)模塊、智能自動(dòng)注水模塊、智能水溫控制模塊、周圍環(huán)境檢測(cè)模塊以及語(yǔ)音提示模塊等。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲水機(jī)周圍環(huán)境溫濕度的采集、語(yǔ)音提示、水溫調(diào)節(jié)、杯高檢測(cè)以及自動(dòng)注水等功能。

在系統(tǒng)的軟件層面，阿里云IoT平臺(tái)與移動(dòng)智能終端發(fā)揮著重要作用。消息隊(duì)列傳輸（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議[7]，具有低功耗、異步通信、高度可靠等主要特性，適用于資源受限的場(chǎng)景，如實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)傳輸和大量設(shè)備間的通信。因此，在WiFi環(huán)境下，主控模塊利用MQTT協(xié)議與阿里云IoT平臺(tái)建立連接，以確保與云端的穩(wěn)定通信。同時(shí)，移動(dòng)智能終端借助MQTT協(xié)議向平臺(tái)發(fā)布和訂閱消息，這樣既能獲取智能飲水機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飲水機(jī)注水系統(tǒng)由水杯檢測(cè)電路、水杯高度檢測(cè)電路、抽水泵控制電路、水流速檢測(cè)電路和水位檢測(cè)電路組成。水溫控制系統(tǒng)則采用一路繼電器控制加熱棒，并配合水箱液位檢測(cè)電路，具體硬件原理如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的控制中樞，需要具備足夠的處理能力、多樣的接口和通信能力，且性能要穩(wěn)定可靠。鑒于這些需求，本文選用樹(shù)莓派4B進(jìn)行設(shè)計(jì)，由它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、處理和控制。樹(shù)莓派4B主控模塊擁有多種接口，如HDMI顯示接口、USB數(shù)據(jù)接口、3.5 mm音頻接口、千兆網(wǎng)線接口、CSI攝像頭接口、DSI顯示屏接口以及40個(gè)GPIO引腳[8]，能夠滿足飲水機(jī)系統(tǒng)的控制需求。

2.2 智能水杯高度檢測(cè)模塊

智能水杯高度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)測(cè)量水杯的高度，主要由水杯檢測(cè)電路和水杯高度檢測(cè)電路組成。其中，水杯檢測(cè)電路運(yùn)用LM393紅外傳感器，能夠識(shí)別飲水機(jī)前是否已放置水杯。高度檢測(cè)電路則結(jié)合HC-SR04超聲波傳感器、L298N電機(jī)控制板、N20減速電機(jī)和升降軌道共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)水杯放置在紅外傳感器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，減速電機(jī)會(huì)通過(guò)尼龍繩拉動(dòng)超聲波傳感器向上運(yùn)動(dòng)。待到達(dá)水杯頂部后，減速電機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向，向下運(yùn)動(dòng)至水杯底面，期間記錄超聲波傳感器的上升時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出水杯高度。

2.3 智能自動(dòng)注水模塊

智能自動(dòng)注水模塊主要用于向水杯注水，其由抽水泵控制電路、水流速檢測(cè)電路和水位檢測(cè)電路構(gòu)成。抽水泵控制電路借助L298N電機(jī)控制板驅(qū)動(dòng)，以此控制抽水泵向水杯注水。

水流速檢測(cè)電路采用YF-S401進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器檢測(cè)到水流時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，這些信號(hào)隨后被主控模塊采集并處理，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)注水速度。

水位檢測(cè)電路中，主控模塊接收超聲波傳感器采集的水位數(shù)據(jù)，并與杯子高度進(jìn)行比較。當(dāng)水位接近杯子頂端時(shí)，注水速度會(huì)相應(yīng)減慢；當(dāng)檢測(cè)到水位達(dá)到杯子高度的80%時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉抽水泵，停止注水，確保用戶不會(huì)被水濺到或被燙傷。

2.4 智能水溫控制模塊

智能水溫控制模塊承擔(dān)著對(duì)水溫進(jìn)行精確調(diào)節(jié)的任務(wù)。其電路設(shè)計(jì)采用了防水型溫度傳感器DS18B20、非接觸式液位傳感器XKC-Y23A以及電熱棒。DS18B20被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱內(nèi)的水溫，XKC-Y23A則負(fù)責(zé)檢測(cè)水箱的水位。當(dāng)水箱水位在安全范圍內(nèi)且實(shí)測(cè)水溫低于預(yù)設(shè)水溫時(shí)，主控模塊將控制繼電器，讓電熱棒開(kāi)始工作，將水箱中的水加熱到預(yù)設(shè)水溫。為保證水溫的穩(wěn)定性，該模塊會(huì)定期檢測(cè)水位和水溫，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整電熱棒的工作狀態(tài)。

2.5 周圍環(huán)境檢測(cè)模塊

為優(yōu)化用戶的飲水體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了周圍環(huán)境檢測(cè)模塊。此模塊運(yùn)用DHT11溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境的溫度與濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)室內(nèi)溫度低于20 ℃且用戶未進(jìn)行溫度設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)把水溫調(diào)整至30 ℃，從而確保用戶得到更舒適的飲水體驗(yàn)。

2.6 語(yǔ)音提示模塊

為增強(qiáng)用戶與飲水機(jī)的交互體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了語(yǔ)音提示模塊。該模塊借助百度智能云平臺(tái)提供的語(yǔ)音合成Python SDK組件，利用HTTPS協(xié)議與平臺(tái)通信，把預(yù)設(shè)的提示文本轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音輸出。另外，為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放，采用主控模塊的

3.5 mm音頻接口連接外部小音箱。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)安全外殼協(xié)議（SSH）來(lái)連接樹(shù)莓派與PyCharm，并且運(yùn)用安全文件傳輸協(xié)議進(jìn)行文件傳輸，進(jìn)而在PyCharm里實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)莓派的遠(yuǎn)程編程。

3.1 注水功能實(shí)現(xiàn)

注水功能程序的整體流程如圖3所示。首先，測(cè)量部分借助減速電機(jī)、超聲波傳感器和紅外傳感器來(lái)完成水杯高度的測(cè)量。其次，水箱水位檢測(cè)部分運(yùn)用非接觸液位傳感器及時(shí)獲取水箱水位信息，以確保能為用戶提供足夠的水。最后，注水部分采用PID算法調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，以此控制抽水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)注水速度的控制。注水操作是依據(jù)超聲波傳感器實(shí)時(shí)獲取的杯中水位來(lái)進(jìn)行的，隨著注水過(guò)程的推進(jìn)，注水速度共分為四個(gè)區(qū)間：當(dāng)水位達(dá)到杯高的0%～20%時(shí)，注水速度為1.2 L/min；達(dá)到杯高的20%～40%時(shí)，注水速度為1 L/min；達(dá)到杯高的40%～60%時(shí)，注水速度為0.8 L/min；達(dá)到杯高的60%～80%時(shí)，注水速度為0.6 L/min；當(dāng)水杯中的水位達(dá)到杯高的80%時(shí)，關(guān)閉抽水泵，完成注水操作。

3.1.1 測(cè)距原理

采用升降軌道上的超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)水杯高度。此模塊的工作原理是基于超聲波傳感器發(fā)射的超聲波脈沖以及被測(cè)物體的反射信號(hào)，由主控模塊計(jì)算信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)而得出水杯高度。

3.1.2 測(cè)水流速原理

水流速計(jì)算的原理如下：當(dāng)水流經(jīng)YF-S401水流速霍爾傳感器時(shí)，該傳感器會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)會(huì)被傳輸給主控模塊。然后，利用式（1）計(jì)算瞬時(shí)水流速，最后把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

Q=T（F+3）/5.5 （1）

式中：Q是流速，單位是L/min；F是頻率，單位是Hz；T是時(shí)間，單位是s。

3.1.3 PID控制水流速原理

在控制直流抽水泵時(shí)，選擇主控模塊的GPIO作為PWM信號(hào)控制端。PWM可通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變PWM脈沖信號(hào)的占空比，由此改變直流水泵兩端壓降的平均值，實(shí)現(xiàn)直流水泵的調(diào)速，最終精確控制出水流速。這種控制方式主要基于增量式PID控制算法，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為L(zhǎng)298N模塊，被控對(duì)象是直流抽水泵。增量式算法控制原理如圖4所示。

在增量式PID控制方式下，每次輸出的控制值只是控制的增量。這樣一來(lái)，被控對(duì)象的參數(shù)變化會(huì)更加平穩(wěn)，從而確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性[9-11]。增量式PID控制算法程序流程如圖5所示。

3.2 溫控功能實(shí)現(xiàn)

溫控功能程序的整體流程如圖6所示。該程序可通過(guò)XKC-Y23A檢測(cè)水箱水位，從而實(shí)時(shí)獲取水箱水位信息。當(dāng)檢測(cè)到水箱水位低于預(yù)設(shè)的安全水位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)加熱棒的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，若加熱棒處于工作狀態(tài)，則及時(shí)執(zhí)行斷電操作，以防止干燒現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)檢測(cè)到用戶下達(dá)加熱請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)比較實(shí)時(shí)水溫與用戶設(shè)定水溫，并持續(xù)加熱直至達(dá)到設(shè)定水溫。

3.3 語(yǔ)音合成功能實(shí)現(xiàn)

文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音（Text-to-Speech， TTS）是一種將文字信息轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音輸出的技術(shù)。百度智能云平臺(tái)提供語(yǔ)音合成服務(wù)，用戶在該平臺(tái)注冊(cè)完成后，即可直接訪問(wèn)并調(diào)用平臺(tái)的REST API。在調(diào)用語(yǔ)音合成服務(wù)時(shí)，首先輸入獲取到的APP ID、API Key和Secret Key，這樣能夠確保與百度智能云的語(yǔ)音合成接口正常通信。然后上傳需要轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音的文本內(nèi)容。最后將平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)保存在本地，生成MP3格式。

3.4 IoT平臺(tái)通信功能實(shí)現(xiàn)

IoT平臺(tái)通信程序的整體流程如圖7所示，本設(shè)計(jì)選用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為IoT平臺(tái)。其操作流程如下： 首先，登錄阿里云IoT平臺(tái)控制臺(tái)，創(chuàng)建相應(yīng)產(chǎn)品并添加設(shè)備。 接著，為產(chǎn)品定義物理模型，包括為所創(chuàng)建的產(chǎn)品定義物理模型，并給該模型增添自定義的功能與屬性。 完成以上步驟后，便可建立設(shè)備與平臺(tái)之間的通信。具體而言，主控模塊與平臺(tái)建立MQTT連接且成功訂閱消息的topic，進(jìn)而將數(shù)據(jù)上報(bào)到云端。在通信程序中構(gòu)建與云平臺(tái)模型一致的消息結(jié)構(gòu)，把獲取的系統(tǒng)數(shù)據(jù)放入其中，再通過(guò)Alink封裝類將構(gòu)建好的消息結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為JSON格式，推送至阿里云IoT平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的采集和上報(bào)操作[12]。 最后，通過(guò)周期性操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)至阿里云IoT平臺(tái)，以保持與云端的數(shù)據(jù)同步。

3.5 云智能APP功能的實(shí)現(xiàn)

云智能APP是一款基于阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)程序。用戶借助該APP能夠向阿里云IoT平臺(tái)發(fā)布消息，阿里云IoT平臺(tái)會(huì)對(duì)接收的消息進(jìn)行發(fā)布操作。設(shè)備通過(guò)訂閱云平臺(tái)的消息主題，依據(jù)消息內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)操作。在設(shè)備執(zhí)行操作之后，其會(huì)把更新后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至阿里云IoT平臺(tái)以及云智能APP，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，為用戶提供與飲水機(jī)實(shí)時(shí)交互的能力。云智能APP的軟件界面如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能飲水機(jī)有著完整的硬件組成，其核心為樹(shù)莓派4B主控模塊，它能夠協(xié)調(diào)各組件高效運(yùn)行。其中，防水型溫度傳感器（DS18B20）負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱水溫，提供精確的溫度數(shù)據(jù)，確保水溫控制的準(zhǔn)確性。溫濕度傳感器（DHT11）負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境溫濕度。非接觸液位傳感器（XKC-Y23A）能夠精準(zhǔn)檢測(cè)水箱水位。超聲波傳感器（HC-SR04）通過(guò)發(fā)射和接收超聲波脈沖，測(cè)量水杯高度，其能夠適應(yīng)不同規(guī)格的水杯。紅外傳感器（LM393）能夠靈敏地檢測(cè)水杯是否被正確放置。抽水泵在L298N電機(jī)控制板的驅(qū)動(dòng)控制下，能夠穩(wěn)定地將水從水箱抽出并注入水杯，同時(shí)結(jié)合PID算法，可以確保注水過(guò)程平穩(wěn)且可控。加熱棒通過(guò)繼電器模塊控制，能夠迅速對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱。儲(chǔ)水箱保障系統(tǒng)有充足的水供應(yīng)，以維持飲水機(jī)的正常運(yùn)行。小音箱連接主控模塊的音頻接口，能夠播放清晰的語(yǔ)音提示，以增強(qiáng)用戶的交互體驗(yàn)，使操作更加便捷和直觀。

4.1 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)與阿里云IoT平臺(tái)通信的數(shù)據(jù)包含室內(nèi)溫濕度、水杯高度、水杯水位、水箱的水溫和水位、當(dāng)前加熱狀態(tài)以及設(shè)定的目標(biāo)水溫。設(shè)備的云端運(yùn)行日志見(jiàn)表1。

針對(duì)云智能APP控制反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表明：使用APP控制飲水機(jī)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間存在差異。反應(yīng)時(shí)間最短為1.25 s，最長(zhǎng)可達(dá)2.82 s，平均為1.87 s。該反應(yīng)時(shí)間和用戶及設(shè)備所連接的WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有關(guān)。

4.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試內(nèi)容包括水杯參數(shù)測(cè)試、注水速度測(cè)試和溫控誤差測(cè)試。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研并綜合考慮通用性、安全性、材料影響和實(shí)用性等因素，本文選擇了塑料杯、玻璃杯、PC保溫水杯、運(yùn)動(dòng)水杯這四種高度和材質(zhì)各異的水杯進(jìn)行水杯參數(shù)測(cè)試。選擇了10%、30%、50%、70%和90%這五個(gè)水位比例作為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行注水速度測(cè)試。

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，杯高測(cè)量的平均誤差為2.52%；完成注水后，水位比例的平均誤差為3.31%。從表3的數(shù)據(jù)來(lái)看，不同水杯的注水速度平均誤差為2.65%。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，水溫測(cè)量的誤差范圍為±0.5 ℃?？紤]到潛在的操作誤差，水杯的參數(shù)、注水速度和水溫的測(cè)量結(jié)果都視為滿足實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)家庭飲水機(jī)在接水、管理及用戶交互方面存在一定局限性。為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能飲水機(jī)。該飲水機(jī)能夠?yàn)椴煌馁|(zhì)和大小的水杯自動(dòng)注水，并利用PID算法對(duì)水流進(jìn)行精準(zhǔn)控制。同時(shí)，借助阿里云IoT云平臺(tái)，該飲水機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和管理的功能，部署起來(lái)更為簡(jiǎn)便。此外，用戶可以通過(guò)云智能APP實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制飲水機(jī)的狀態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)了其實(shí)用性和智能化程度。因此，該飲水機(jī)不僅適用于家庭，還可廣泛應(yīng)用于學(xué)校和醫(yī)院等公共場(chǎng)所。

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收稿日期：2024-05-20 修回日期：2024-06-24

基金項(xiàng)目：福建理工大學(xué)科研計(jì)劃項(xiàng)目（GYZ20072）