基于用戶飲水習慣的智能飲水機設計

張煥立 馮 青

吉林農業科技學院

基于用戶飲水習慣的智能飲水機設計

張煥立 馮 青

吉林農業科技學院

針對辦公室和家庭飲水機存在的電能浪費、千滾水等問題，研制了一種能夠記錄用戶飲水習慣的智能飲水機。本文首先對傳統飲水機的工作原理進行了分析，提出就一種基于用戶飲水習慣的智能節能飲水機設計方案，根據固定用戶的飲水時間相對穩定的特點，減少飲水機加熱次數實現節能的目標。

機器學習、飲水機、節能

隨著人們物質生活水平的提高，人們對飲用水也提出了較高的要求。伴隨著桶裝水的熱銷，飲水機也隨之得到了廣泛的普及。傳統飲水機溫度控制方法是采用當溫度上升到設定值后，停止加熱，水箱里的水緩慢散熱，當溫度低于某一值時，重新加熱到設定溫度。水箱內的水經反復加熱，俗稱“千滾水”。就目前市場上的銷售飲水機而言，由于自身設計的缺陷或者疏于管理等原因，飲水機日夜待機工作及反復加熱造成了巨大的電能浪費。而且反復加熱極易在飲水機內部產生水垢，危害人體的健康[1]。有研究表明人們在飲水時間上通常具有規律性，如清早起床一杯水；開始工作前一杯水等飲水習慣[2]。本文即根據此項生活習慣，設計一款能夠根據用戶飲水習慣智能加熱制冷的飲水機，從而有效的解決普通飲水機存在的以上問題。

1 智能飲水機的系統結構設計

本設計控制系統由溫度控制模塊、顯示模塊、時鐘日歷模塊、數據存儲模塊、電源模塊及核心控制器等模塊組成。核心控制器通過采集用戶用水時間及用水種類，對用戶飲水情況歷史數據的分析，實時顯示飲水機工作狀態，并在適當的時間段保證水溫在設定值，其他時間段為低功耗運行模式，以達到節省電能的目的。其系統組成框圖如圖1所示。

圖1 飲水機智能控制系統結構框圖

由圖1可知，控制系統由6個模塊組成，對各模塊功能設計如下:

1.1 顯示模塊

系統采用一塊1602液晶屏顯示飲水機工作狀態，包括熱水溫度、冷水溫度、當前時間日期及工作模式。

1.2 日歷時鐘模塊

日歷時鐘模塊采用美國DALLAS公司生產的DS12C887時鐘芯片，它將晶振電路、寫保護電路、可充電鋰電池等一起封裝在一個24引腳的雙列直插式芯片內，是一個完整的子系統。可保證飲水機在斷電的情況下時鐘依然準確。

1.3 數據存儲模塊

數據存儲模塊選用IIC總線的EEPROM存儲器，考慮到主要存儲內容為時間和星期，每次取水信息可占用3個字節的存儲空間，設每天取水小于300次，則每天數據大約占用1k字節數據。考慮到現在以周作為工作休息周期，在最少存儲2周數據的情況下，存儲器只要選擇大于14k字節的存儲器即可。

1.4 核心控制器

通過對系統運算量、成本、穩定性等方面考慮，系統核心控制器選擇STC公司的12C5A60S2單片機，該單片機具有單指令周期，豐富的片內外設及低功耗設計。

1.5 溫度控制模塊

飲水機通常具有冷水和熱水兩個出水口，其中冷水多使用半導體制冷方式；熱水采用電阻式加熱棒獲取；鑒于中國人較習慣飲用熱水，飲水機最大的電能消耗就在熱水的獲取和保存上，采用保溫水箱是一種節約電能的好方法。

1.6 電源模塊

電源模塊直接選用模塊化的開關電源模組構成，具有體積小，重量輕，成本低、維護方便等特點。

2 飲水機的軟件功能設計

由于固定用戶飲水時間具有相對穩定的特點，經過一段時間的數據采集，使飲水機能夠獲得用戶作息時間、飲水習慣等數據，飲水機自動切換工作模式以便實現節能的目的。軟件設計分為三個模塊：初始化模塊、學習模塊、狀態控制模塊。

2.1 初始化模塊

智能飲水機初次開機后，會先將水箱加熱到設定溫度上限，取得首次升溫時間t1，后獲取水箱自然冷卻到設定溫度下限的時間，記為自然冷卻時間t2。

2.2 學習模塊

系統記錄每次用戶取水的時間，以24小時作為一個采集小周期，以7天作為一個大周期。將每個星期的同一天，如一個月的每個星期一數據選出，進行疊加，根據t2時間長度做滑窗運算，如兩次取水時間小于t2，則認為是此時間段為用戶活躍期。如兩次取水時間大于t2，則判定次時間段為用戶隨機期。

2.3 狀態控制模塊

系統掃描存儲器中活躍期的時間起始點，縮短t1時長進入工作狀態，以便當用戶到達時水溫已經恒定。當掃描到進入隨機期時則進入節能狀態，系統停止加熱或制冷。

3 實驗情況

設計選用美的M930型冷熱家用飲水機進行改裝，同時提供對比數據。分別在自己家里(3人)和辦公室(10人)使用，飲水機的功率為500w，實驗時長為1個月。使用一塊單項電表作為消耗電能的計量裝置。實驗得到的耗電數據如下表1所示。

表1 改裝前后飲水機耗電數據情況對比

對比發現辦公室環境節能超40%，家庭環境節能超70%。辦公室由于人員較雜，飲水情況相對較為隨機。考慮到現今社會加班的普遍情況，飲水機能夠根據用戶真實的使用時間控制加熱，取得一定的節能效果。在家庭環境下由于起居時間較為穩定，節能效果十分顯著。當突發情況發生時水溫不滿足設定值是機器最大的問題，可以通過加大溫度控制模塊的功率或減小水箱容積的方法來減小用戶等待時間。

4 總結

本設計具有自身功耗低、使用靈活方便、適應性強等特點。根據用戶的飲水習慣控制飲水機加熱時間，以達到降低電能消耗達到節能的目的，符合當前綠色、環保、節能、低碳的生活方式。

[1] 謝晉雄，張棟.一種基于模糊控制的節能飲水機設計[J].家電科技.2010.

[2] 陳忠仁，朱明君，黃鍵.一種基于自學習模糊控制的智能飲水機節電器[J]節能.2016.

吉林農業科技學院大學生創新科研項目