基于藍牙通信的智能飲水消費系統

黃志，徐同文、2，吳文芳

（1.延安大學物理與電子信息學院，陜西延安，716000；2.陜西省能源大數據智能處理重點實驗室，陜西延安，716000）

0 引言

飲水機是人們日常生活、辦公場所高頻率使用的生活電器，在國內外有著巨大的市場[1]。但是傳統飲水機存在很多問題，使用IC卡造成浪費資源增加人力管理成本是很突出的問題。隨著互聯網技術的發展與應用，互聯網設備的更新換代，一些傳統的飲水設備已經開始陸續換代，互聯網飲水機逐漸取代傳統IC卡飲水機[2]。互聯網飲水機相比傳統的IC卡飲水機而言減少了以往的人力管理投入。但在日常的使用過程中，時常會遇到網絡信號不良的情況導致飲水機使用困難。鑒于此情況提出基于藍牙通信的智能飲水消費系統。此飲水系統通過藍牙通信功能進行飲水消費，避免了在網絡不良情況下無法飲水消費的問題[3]。

1 系統方案設計

■1.1 系統結構

本設計的系統整體結構主要由飲水機和客戶端兩個部分組成。客戶端通過藍牙和飲水機建立連接，建立連接后客戶端可以下達工作指令，飲水機通過藍牙接收的指令完成相對應的工作并完成出水流量的監控，等到飲水機結束出水時通過藍牙向客戶端發送出水量數據，客戶端會根據出水量及本時期的單位水費進行計算并扣除相應的金額。系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

■1.2 飲水機結構設計

基于藍牙通信的校園飲水消費系統的硬件部分主要由藍牙通信、出水控制與計量、智能加熱三個部分組成。飲水機工作原理圖如圖2所示。

圖2 飲水機工作原理圖

藍牙連接與數據傳輸：建立客戶端與飲水機的通信連接，接收客戶端的工作指令并且在飲水機停止出水時反饋用戶的消費數據到客戶端。既保證了網絡不良狀態下的正常飲水又可以及時反饋消費數據。

出水量控制與計量：當飲水機出水時，水的流動導致帶有磁性轉子的渦輪轉動，由此磁性轉子產生旋轉磁場并切割磁感應線圈，根據霍爾效應霍爾元件上產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間內產生的脈沖數就可以精確測得出水量。霍爾流量閥的工作原理圖如圖3所示。

圖3 霍爾流量閥的工作原理圖

智能加熱：在飲水機不進行出水時，系統進入智能加熱狀態。微控制器通過溫度傳感器監測水箱中熱水的溫度，當水溫低于閾值時微控制器控制繼電器閉，熱電阻進行工作；當溫度達到沸點時保持一段時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 軟件設計

1.3.1 飲水機程序設計

飲水機程序系統在藍牙沒有數據傳輸時，飲水機對熱水水箱溫度進行調節。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行對比，低于閾值通過熱電阻加熱達到閾值后停止加熱。在客戶端通過藍牙連接飲水機控制系統，飲水機系統進入工作狀態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送相關的數據。飲水機程序流程如圖5所示。

圖5 飲水機程序流程圖

1.3.2 客戶端軟件設計

客戶端界面擁有“設備連接”、“直飲水”、“熱水”三個按鈕及賬戶余額、已連接設備、單次消費數據的顯示面板。客戶端界面示意圖如圖6所示。客戶端通過用戶主動連接飲水設備，通過觸摸對應按鈕向飲水機發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量少,管腳在高電平是沒有輸出能力;運行速度慢,管腳沒有保護電路容易造成芯片損懷。

MSP430系列單片機處理能力強大,具有精簡的指令集(RISC)，同時尋址方式多樣,信號處理運算速度快,在8MHz 晶體的驅動下指令周期為125 ns 。但指令占據內存空間較大,因為是16位單片機,程序以字為單位,有些指令會占到6個字節。雖然程序看上去上簡短,但實際占用空間很大。

為了滿足基于藍牙通信的飲水消費系統的設計，MCU需要通信接口、精準的時鐘、較快的信號處理能力、體積小功耗低、成本低的特點。STM32f103系列是基于ARM Cortex M3架構的微控制器，與51單片機相比，具有運算速度快、時鐘資源豐富、工作狀態的功耗低等特點。STM32F103C6T6是 一 款48腳 封 裝，主 頻 為72MHz的低功耗微控制器。在系統中用到的傳感器較少，相對于STM32F103C8T6和MSP430而 言 使 用STM32F103C6T6既能滿足系統硬件設計的需求留有一定的片上資源，又可以避免冗余大量的I/O和運算資源，同時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，具有成熟的通信協議。局部組網的強大功能，具有通信速度快、功耗低的優點。但是缺點也很明顯，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致信號減弱。由于ZigBee技術出還不成熟導致芯片生產成本貴應用范圍單一。

藍牙通訊是短距離通訊技術的一種,它可以充當主角色、從角色和回環角色,角色可以通過豐富AT指令集進行切換，不同角色之間使用同一通訊協議。方便二次的開發與應用。其中HC05藍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、收發信號靈敏、數據不易失真等優點。

本系統的設計與研究的客戶端是基于手機實現，為了滿足客戶端的使用條件，系統通信選擇藍牙HC05進行通信。使用HC05進行通信既方便客戶端與飲水機硬件的連接，保證了通信的穩定以及成本的控制。所以本系統選擇二次開發簡單、通信穩定、成本低的HC05藍牙通訊模塊。

3 飲水機硬件系統電路設計

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

圖7 STM32F103C6T6封裝管腳圖

STM32F103C6T6通過HC05接收客戶端實時的指令，更具具體的指令控制對應的“直飲水”霍爾流量閥或“熱水”霍爾流量閥，同時通過MCU的時鐘對霍爾流量計閥進行監控采集出水量的數字信息。在HC05沒有接收信息時MCU通過加熱模塊和溫度測量模塊對飲水機中的熱水進行溫度控制。系統整體的電路設計圖如圖8所示。

圖8 系統整體電路設計圖

4 結論

本文設計了一種基于藍牙通信的智能飲水消費系統。系統由智能溫度控制、出水量控制及監測、藍牙通信三個部分組成。完善了現有飲水消費系統的不足，解決了在網絡信號不好和斷網時的特殊情況下的飲水困難的現狀。與傳統的飲水消費系統相比本系統更加完善，更加方便，減少了飲水消費系統的限制，為人們的生活提供了便利，讓日常飲水不在受網絡好壞的限制。將技術與實踐完美融合進而降低系統的成本將是本研究以后研究的內容。