基于物联网的智能饮水机的设计

引 言

目前市场上的普通饮水机在使用过程中，其智能性和安全保障等方面都存在明显缺陷。经调查表明，目前我国饮水机保有量约 1 亿台，年增 30 多万台，而普通饮水机每年的耗电量在 200 多度以上，那么全国每年将在这方面损失 260 多亿度电[1]。

为了进一步了解当前饮水机的智能功能，特对市面上饮水机的主要品牌如美的、安吉尔、沁园、浪木等进行调研 [2]。发现目前市场上的饮水机一般具备防干烧，儿童锁功能，少部分饮水机具备智能感应功能，但将这些功能集于一身的饮水机却还未发现。市场上四个主要品牌的功能对比见表1 所列。

目前，普通饮水机存在重大安全隐患，如干烧、阴阳水混合等。为解决目前普通饮水机存在的问题，本文设计出了基于物联网的智能饮水机，旨在通过信息化手段，利用物联网、传感器技术进行智能算法分析，通过单片机对保温桶隔热板进行开关智能化控制，使加热桶与外界环境隔热。此智能饮水机不仅降低了耗电量，避免了饮水机干烧存在的安全隐患， 还可以有效解决饮用水反复加热、阴阳水混合等问题，对人体的健康和财产安全具有深远影响。

随着物联网技术的不断发展，已广泛应用到各个领域。水， 是生命之源。所以，饮用水对人体健康起到了关键作用。日常饮水机中的水反复加热会产生大量亚硝酸盐，大大增加了患癌症的几率。本文利用物联网和传感器技术实现了对饮水机的智能控制。解决了饮水机中的饮用水反复加热、阴阳水混合、耗电量大等问题。

1 基于物联网的智能饮水机设计方案

饮水机的智能化设计基于物联网设计理念，将水位传感器、水温传感器与单片机完美结合，该饮水机可以实现智能控制和人为控制，主要实现对水温的设置、水位检测、显示等功能，当水位达到某特定值时，水位传感器感应探头便将感知到的信息反馈给单片机，单片机通过控制电磁阀实现对保温桶饮用水进入的智能化控制。饮水机结构框图如图 1 所示。

1.1 基于物联网的智能饮水机的总体设计方案

该智能饮水机的设计主要实现对饮水机保温桶中饮用水的智能化控制，通过水位传感器进行检测，达到特定水位时响应，并将采集到的信息数据反馈给单片机，通过单片机中的继电器发送信息对保温桶中的隔热挡板进行智能化控制，以实现对饮用水进入保温桶的智能化控制。涉及的硬件有单片机开发板、水位传感器、性能良好的隔热挡板等，可利用水位传感器实现对隔热挡板的闭合控制。智能饮水机工作流程图如图 2 所示。

(1) 利用水位传感器进行判断（设上水位感应探头为 P1， 下水位感应探头为P2），将采集到的水位信息反馈给单片机。

(2) 单片机将接收到的水位数据进行分析判断，若水位低于P1且低于P2，则通过继电器将隔热挡板打开，饮水机中的水流入加热桶中，当水位达到 P1时，挡板关闭。

目前，市面上的饮水机功能单一，绝大多数只有加热或制冷功能，无法对饮水机的水温实现精确控制。但在日常生活中，我们对不同用途的饮用水温度需求是不同的。如冲咖啡的最佳温度为 65 ℃，泡茶温度为 80 ℃等[2]。为解决这些问题， 使用户能够随时随地、随心所欲地实现对饮水机开关、温度的智能化控制，本文采用App 对饮水机实现远程控制，用户无论在室内或室外，通过App 可以实现对饮水机的远程操作， 并通过移动终端向温度传感器发送数据信息，传感器再将信息发送给数码管，实现对饮水机水温的智能化控制，从而使用户可以根据个人对饮用水温度的需求进行智能设定。

1.2 智能饮水机主要设备

该智能饮水机软硬件相结合，通过水位传感器感知，将信息反馈给单片机，单片机通过继电器控制挡板的开关控制水流入加热桶。

该智能饮水机的设计不仅成本低，还体现出了节能环保的设计理念。整个系统主要由隔热挡板、水位传感器、单片机、电磁阀等组成。饮水机结构示意图如图 3 所示。

为减少饮水机加热的次数，就需要隔热挡板具有良好的隔热性能，因此，本设计选用真空隔热板（VIP 板）作为隔热挡板，它是真空保温材料中的一种，由填充芯材与真空保护表层复合而成，可有效避免空气对流引起的热传递，因此导热系数大幅度降低，小于 0.035 W/（m2·k），且不含任何 OD 材料，具有环保和高效节能的特性，是目前世界上最先进的高效保温材料[3]。

为了精确感知水位，及时将水位信息反馈给单片机，本设计选用DF-96A 水位传感器。该传感器采用集成电路，并结合加热桶上、下水的水位分级提升进行设计，具有上下水位联合控制及缺水保护等功能，其负载电流为 5 A。

为保证单片机能及时控制继电器，以控制隔热挡板的开关，本设计采用STC89C52 单片机。STC89C52 单片机不仅功耗低，具有高性能 CMOS 8 位微控制器，还具有 8 K 可编程Flash 存储器。

1.3 关键技术的实现

本设计除了拥有良好的硬件系统外，还与软件相结合， 实现软硬件之间的互补，以更好地实现智能化控制。本设计将所有控制程序写入STC89C52 单片机。

用一个函数来接收水位传感器反馈的值。

将所得值传给另一个处理函数，由函数分析返回的值是否符合函数要求，若符合，则进行下一步分析，若不符合， 则丢掉。

返回值符合要求后，将返回值与标准值对比，判断加热桶中是否需要水。由于继电器与水位传感器相连，当水位传感器返回值符合标准后，单片机便控制继电器打开隔热挡板， 水流入加热桶内，否则隔热挡板关闭。

2 结 语

随着人们生活水平的提高，饮水机已成为家庭生活中不可缺少的一部分。但普通饮水机在水质保鲜、耗电量、智能控制等方面存在明显不足，对人类健康有潜在危害。本文提出的基于物联网的智能饮水机，通过传感器进行智能控制，不仅饮水机的耗电量明显降低，还可保证人们喝上安全放心的饮用水，为创建新型环保城镇，实施可持续发展，共建和谐社会起到了推动作用。