基于人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)的自動(dòng)裝置

李正軍，郝傳柱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，智能家居逐步走進(jìn)人們的視野，智能飲水機(jī)受到越來(lái)越多人的青睞，但是目前市場(chǎng)上的飲水機(jī)接水時(shí)光靠聽(tīng)聲音判斷音色、眼睛盯看水位等方式來(lái)控制水的開(kāi)關(guān)，往往不能及時(shí)有效地在水接滿(mǎn)時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，不僅浪費(fèi)了資源也增加了燙傷的可能，存在極大的安全隱患。本文設(shè)計(jì)的一種新型飲水機(jī)，智能且安全、有效地解決了以上問(wèn)題。

1 飲水機(jī)的研究現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上的智能飲水機(jī)將節(jié)能、健康、便捷作為重要功能，而人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)突出的自動(dòng)化特點(diǎn)，能極大方便人們的生活，適用范圍廣泛，在一些特殊場(chǎng)所使用也極為方便。例如設(shè)置在公共場(chǎng)所，可適合各類(lèi)型杯具，不論大小都能自動(dòng)加滿(mǎn)，不用擔(dān)心水會(huì)溢出杯外，并且操作簡(jiǎn)單；設(shè)置在敬老院中，可極大方便手腳不靈活的老人們，只需要把杯子放在指定位置，稍作等待便可以喝到水，減少了安全隱患；設(shè)置在幼兒園中，水滿(mǎn)即停，可以減少兒童的燙傷事故。我國(guó)人口基數(shù)龐大，市場(chǎng)需求量巨大。

市場(chǎng)上的大部分飲水機(jī)是手動(dòng)操作，接水時(shí)必須一邊按鍵一邊接水；一些自助餐廳里雖然是一鍵自動(dòng)注滿(mǎn)水，但是定量注水，必須用統(tǒng)一的杯子，如果換成其他容量的杯子就有可能水接不滿(mǎn)或者水溢出。人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不僅結(jié)合其他智能飲水機(jī)的特點(diǎn)，本身又具有創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)特殊群體和特殊場(chǎng)合都非常適用。

2 人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

本產(chǎn)品在內(nèi)部有1 個(gè)單片機(jī)，控制整個(gè)裝置。杯子放置處有1 個(gè)超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)是否有物體靠近。當(dāng)檢測(cè)到有物體靠近時(shí)，直流電機(jī)控制注水孔向下移動(dòng)，下降過(guò)程中側(cè)面的光纖傳感器檢測(cè)到杯子的高度停止下降，開(kāi)始注水，光纖傳感器檢測(cè)到杯口距水面一定高度時(shí)，停止注水，回到初始位置。上下各有2 個(gè)限位開(kāi)關(guān)用來(lái)限制出水口的運(yùn)動(dòng)。水面距離出水孔的距離可以通過(guò)程序進(jìn)行修改，以控制接水的容量，或當(dāng)出水量達(dá)到所需時(shí)也可以直接拿走。本設(shè)計(jì)可方便人們生活，如孕婦、老人在家時(shí)，難免會(huì)行動(dòng)不便，本產(chǎn)品從根本上解決問(wèn)題，給人們帶來(lái)便利。本產(chǎn)品也不會(huì)擔(dān)心誤觸碰，只有在檢測(cè)到物體高度時(shí)才會(huì)自動(dòng)出水，否則出水孔在觸發(fā)到下方的限位開(kāi)關(guān)時(shí)再回到初始位置（圖1）。

圖1 組裝實(shí)物

2.2 整體設(shè)計(jì)

裝置利用了多種硬件和軟件，通過(guò)傳感器感知環(huán)境與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，調(diào)制成所需信號(hào)。產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)將杯子放在接水口下，接水口自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，自動(dòng)注水，水柱達(dá)到一定高度時(shí)，自動(dòng)停止注水，設(shè)備恢復(fù)原樣。本設(shè)計(jì)本著小巧便捷自動(dòng)化的理念，外殼設(shè)計(jì)分4 部分：出水口、前蓋板、后蓋和底座（圖2～圖5）。

圖2 出水口

圖3 前蓋板

出水口設(shè)計(jì)為上下升降式，旨在適應(yīng)不同高度的杯子，防止水的濺出，并安裝軟皮管，用來(lái)接通水桶中的水。將前蓋板與出水口組合可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，升降結(jié)構(gòu)采用滑桿、滑塊和直流電機(jī)的組合形式。直流電機(jī)安裝于前蓋板中，利用帶傳動(dòng)帶動(dòng)滑塊和出水口運(yùn)動(dòng)。

圖4 后蓋

圖5 底座

2.3 硬件設(shè)計(jì)

人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)主要由主控制板模塊、傳感器模塊、硬件組成模塊3 大部分組成（圖6）。

（1）主控制板。本設(shè)計(jì)使用Arduino 控制板，它是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino 板） 和軟件（Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）（圖7）。Arduino 能通過(guò)各種傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過(guò)Arduino 的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。

（2）光纖傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用下，使光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測(cè)參數(shù)。整個(gè)過(guò)程中，光束經(jīng)由光纖導(dǎo)入，通過(guò)調(diào)制器后再射出，最后經(jīng)過(guò)光纖放大器進(jìn)行放大信號(hào)，本設(shè)計(jì)主要使用YIBO-NA11 型號(hào)放大器和直角傳感器（圖8、圖9）。組合兩組光纖傳感器，一組放在出水口處用來(lái)檢測(cè)水面高度，另一組放在前蓋板側(cè)面，用來(lái)決定出水口下降高度。使用光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度較高；②幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；③可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；④可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕或其他的惡劣環(huán)境；⑤具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性；⑥電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。

圖6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 Arduino 控制板

圖8 光纖放大器

圖9 直角形光纖傳感器

（3）超聲波傳感器。超聲波傳感器通過(guò)發(fā)送和接收聲波來(lái)測(cè)量距離，利用時(shí)間差和聲波傳播速度來(lái)計(jì)算模塊到前方障礙物的距離。本設(shè)計(jì)中將超聲波傳感器設(shè)置在前蓋板下，用來(lái)檢測(cè)杯子是否靠近。

2.4 軟件設(shè)計(jì)（圖10、圖11）

3 人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相比于其他傳統(tǒng)的飲水機(jī)，本設(shè)計(jì)可以自動(dòng)檢測(cè)杯子是否裝滿(mǎn)，升降式的出水口適應(yīng)各種類(lèi)型的杯子，防止水溢出杯外，減少安全隱患。可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需用手碰飲水機(jī)就把杯中水加滿(mǎn)。水注滿(mǎn)后自動(dòng)停止，減少燙傷事件發(fā)生。

圖10 系統(tǒng)原理

圖11 工作流程

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)，使飲水機(jī)變得智能化，足夠在市場(chǎng)現(xiàn)狀下打開(kāi)一扇窗，可在使用過(guò)程中減少資源浪費(fèi)和安全隱患，提高人們生活便利感。人工智能全自動(dòng)飲水機(jī)符合時(shí)代的發(fā)展要求，符合大眾的實(shí)用主流，在使用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值上有無(wú)限潛力。