基于無線傳感技術與藍牙遠程語音提示保溫杯設計*

湖南應用技術學院 王雙源 張莉

新型技術的發展，人們生活質量的提高，越來越多的人開始注意養生這一話題，如在生活中隨身攜帶著保溫杯雖然具有保溫的功能，但仍然會因為快速的生活節奏而忘記喝水，導致錯過了喝熱水的最佳時間。本文以保溫杯主體設計展開研究，分析傳統保溫杯在當前市場存在的缺陷，對其進行創新和改進，并采用現代新型的傳感技術與無線傳輸藍牙技術研究一種帶溫度顯示與遠程語音提示的保溫杯。旨在讓使用者感受到科技給生活帶來的便利，讓更多的人群喜愛和使用保溫杯，改善他們的生活習慣。這種新型的保溫杯可以通過手機藍牙進行連接，利用手機軟件設置指定溫度，當水溫發生變化時手機就會發出語音提示播報。

保溫杯，顧名思義，它是一種可以保溫的杯子。最早于1892年，由牛津大學蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦爾爵士發明了真空保溫瓶。他把裝水的瓶子放進更大的瓶子中，并從它們之間的空隙里抽出空氣。由于真空不傳熱，保溫杯內的熱水或冷水能夠長期保持原有溫度。20世紀50年代，保溫杯變得非常火爆，其銷量更是達到了頂峰。在這段時間里，人們在參加家庭野餐、海邊旅行和露營等活動時都會攜帶保溫杯。它是一個由雙層陶瓷或不銹鋼和真空層組成的容器，在杯子的頂部通過活塞進行密封，可以隔絕外界空氣。真空保溫層可延緩水等液體內部的散熱，從而達到保溫目的。熱水瓶是由熱固性塑料制成的，保溫杯的原理與熱水瓶杯相同，只是人們為了攜帶方便把保溫瓶做成杯子。

隨著科技的發展以及思想的解放，保溫杯的風格也在不斷發生變化。市面上出現了很多不同種類的保溫杯，每種保溫杯針對的人群也不一樣。比如孩子們喜歡的卡通形狀的保溫杯、青少年喜歡顯示溫度的電子屏幕保溫杯、中老年人喜歡的傳統熱水杯，而更多的年輕人喜歡的是具有高科技的新奇產品。為順應時代的發展，改良傳統的保溫杯，使保溫杯的功能不再單一化，使其具有功能完善、智能化等特性。新型保溫杯不僅能適用于各類用戶群體，更能吸引喜歡新潮的學生和社會青年。

1 分析市場及產品現狀

我國現有不銹鋼保溫杯生產企業主要集中在浙江的永康、武義和廣東的潮安、揭陽、新會等地。目前，中國已成為全球最大的不銹鋼保溫杯生產和出口大國，并成為全球最大的不銹鋼保溫杯消費國。

由于市場需求的變化，保溫杯的保健功能也在發生著變化，特別是具有保健作用的保溫杯，這也意味著這個新的消費市場將有更大的發展空間。當然，對于生產保溫杯的企業而言，在做好大眾化市場的同時，還應關注并挖掘到小眾市場的需求或潛在需求，這或許是拓展新一輪保溫杯產品營銷增長的關鍵。如居家群體性的保溫杯，和養生健康理念的保溫杯，則是一類功能應用的表現。

從人均保有量水平來看，近幾年發達國家和地區的保溫杯的人均擁有量達到了0.37～0.65只，而我國保溫杯人均保有量僅為0.12只，隨著人均收入水平的提升和城鎮化的不斷推進，國內保溫杯市場未來增長空間巨大。

國內保溫杯產品主要分高、中、低端三個層次。高端產品主要被國際知名品牌產品占據，國內生產企業尚未與國際知名品牌商形成直接的競爭；中端產品主要被國內領先品牌所主導且主要分布在經濟發達的城市和地區；低端產品主要由小規模企業生產，并分布在欠發達地區。

（1）高端產品：面向國內高端消費群體，價格普遍較高，消費量較小，市場多為國際知名品牌如“膳魔師”“虎牌”“象印”等品牌產品所占據，國外品牌在國內市場的銷售量的占比較低，基本維持在3%左右，國內生產企業與上述國際知名品牌商尚未形成直接的競爭關系。

（2）中端產品：性價比較高，市場主要由哈爾斯、翔龍、雄泰、思寶等國內領先品牌所主導，排名前五保溫杯制造商市場占有率合計為20%多，主要分布于經濟發達城市和地區。市場競爭主要體現在產品質量、功能、款式以及銷售渠道、成本控制等方面。通過提高產品質量、提升產品設計水平、拓展產品功能、加強營銷網絡建設、提升產品附加值等方式實現了產品內銷規模的迅速擴大。

（3）低端產品：通常由業內小規模企業生產，消費市場多分布于經濟欠發達地區的中小城市及農村地區。這類企業受資金和技術所限，產品品種單一，品質較低，缺少品牌影響力和研發設計能力，價格較低，難以進入中端市場。低端市場競爭激烈，多表現為價格競爭。

國內市場的普通傳統保溫杯還是占有很大的市場。其外形簡單，也堅固耐用，成為了許多人的必備品，而市場上許多改進的保溫杯，大多數是從外觀、材質、顏色上改變，與傳統的保溫杯的效果并無差異。隨后市場上也出現了帶有溫度顯示的保溫杯，部分喜歡潮流的年輕人大多愿意選擇，而使用保溫杯的中老年人對產品這一創新的選擇意向似乎不大。對于他們而言，保溫杯的效果主要是用來保溫的，知道溫度，似乎并不影響保溫杯的使用，其價格也比傳統的保溫杯高出許多。而市場上至今也沒有出現具有語音提示且溫度顯示的保溫杯，它在當前時代具備足夠的技術條件和一定的市場空間，卻在市場上仍是一片空白。發展的潛力巨大，能夠吸引喜歡大多數的青年人。

2 主要設計思路

基于無線傳感技術與藍牙遠程語音提示保溫杯首先在整體的外觀上要保留傳統保溫杯所具備的美觀簡潔、方便攜帶等特點，其次在功能的設計上要符合預期的效果，該章節主要是對新型保溫杯的整體外觀設計和功能設計進行一個詳細的闡述。具體技術路線圖如圖1所示。

2.1 整體設計

從整體上來看，保溫杯的結構由杯體、杯蓋、內膽和底座組成。并且內部組成各不相同，在內膽底部設有溫度傳感器；在杯體內部底座外設有電池艙、集成電路板、嵌入該集成電路板的可編程語音芯片和單片機芯片；在杯體側壁設有揚聲器、電子溫度顯示屏和語音按鈕。這些設計使新型保溫杯自身同時具備了杯蓋溫度顯示和杯壁播報語音這兩項創新功能，由于組合的零件占用空間小、重量輕，從外觀上既能維持原有的風格和特性，也能在一定程度上提升整體層次的科技感。

智能手機已經成為了廣大消費者的必備品，它在人類社會中已經具有至關重要的地位。本次研究的產品設計出藍牙系統，能夠與人們的手機建立起連接，從某些意義上來說加深了其與消費者之間的聯系。保溫杯的藍牙系統主要由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協議棧）單元四個功能單元組成。保溫杯內部可以通過藍牙系統以穩定的數據速率向手機傳輸溫度等數據，對應手機軟件會對其進行接收和處理。這款手機App基于Android開發和實現，使用主流的編程語言完成內部邏輯代碼，在功能上對數據進行可視化處理，每當條件滿足時會在手機上發出語音提示。

就總體而言，這項產品同時具備杯蓋溫度顯示、杯體語音播報和手機語音播報三項功能，用戶可以通過按杯體按鈕或者使用手機App進行溫度語音播報。保溫杯杯體語音按鈕的設計能滿足盲人、老年人、小孩的使用習慣，手機語音溫度播報的設計則更適用于廣大年輕人。

2.2 功能設計

此類保溫杯不僅具有傳統保溫的功能，還能對保溫杯中水的溫度進行一個實時的反饋，并在此基礎上增加了語音播報的功能，它也可以通過手機藍牙與杯子的語音主控芯片和單片機芯片建立連接，將數據傳入手機后能通過手機App顯示溫度，并能進行溫度語音播報。這兩項功能的實現在技術上主要包括熱傳感技術和藍牙技術，并利用軟硬件技術進行輔助開發。

（1）熱傳感技術：用溫度傳感器來感受溫度并轉換成可用輸出信號，利用敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度。熱傳感技術主要用于實現溫度顯示功能，為了減少保溫杯頂部溫度流失造成溫度顯示的誤差，將感溫器芯片裝置在內部的杯底中，然后通過電子智能感應測溫，隨時隨地感知水溫變化，再將測得的水溫在顯示屏上面顯示出來[1]。

（2）藍牙技術：一種無線數據和語音通信開放的通訊技術標準，是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離無線技術連接。藍牙與手機設備進行連接，連接之后打開與該保溫杯配套使用的手機應用，在手機應用里面綁定指定的保溫杯后，就可以提前設置需要發出提示的水溫，之后等待水溫達到設定值時，手機就會自動發出語音播報提醒用戶按時喝水。

（3）硬件研發技術：首先選擇目前市場上使用最多的DS18B20溫度傳感器，傳感器采集數據時會產生一定的時序，根據所選溫度傳感器產生的時序來設定主控的邏輯電路。再在主控芯片上設計一個串口把溫度數據傳輸到藍牙模塊，藍牙模塊與上位機連接實現數據傳輸。同時在杯體上設置一個語言按鈕，當使用者按下按鈕時，通過語音芯片播報采集到的溫度數據。由這種傳感器產生的數據具備高精度、小體量、穩定性強等特點。它能夠運用于儲罐等其他小空間設備的溫度測試，同樣也能夠滿足新型保溫杯的設計要求。本次新型保溫杯的設計為了達到隔離液體效果的同時保證飲水安全，選擇使用不銹鋼鋼管封裝的傳感器。DS18B20溫度傳感器封裝圖如圖2所示。

軟件開發技術：軟件里面添加設置溫度提醒功能也不需要多強大的技術支持。這是一個通過藍牙傳輸數據的Android應用，上位機需要編寫藍牙收發數據的客戶端、服務端代碼實現上下位機通信，主要功能如下：1）搜索藍牙設備；2）與其中一個藍牙設備配對；3）向它發送一個文本數據；4）接收數據；5）實現語言提示與溫度顯示。為了實現當水溫到達預期的溫度時實現語言提示，這里注意客戶端編碼時要進行一個閾值設置和判斷，當采集到的溫度數據達到設定的閾值時進行語言提示。大致的實現流程手機控溫提示流程如圖3所示。

語音播報功能主要運用了訊飛開放平臺下載的SDK，首先進行了權限配置、新建MyApplication類和Android Manifest.xml配置，然后再編寫功能代碼，依次進行權限請求、頁面的設計與實現、初始化語音合成對象、設置在線合成發音人和音頻保存路徑以及語速等參數、設置默認播報文字和七個控制播放的方法、設置語音播放的觸發條件。

3 創新點以及特色

該創新項目主要有以下三個創新點：

（1）在已有的帶有溫度顯示的保溫杯的基礎上再帶有語音提醒的這一貼心功能。并可通過手機的藍牙連接設備，將手機和保溫杯進行藍牙連接，通過手機下載與保溫杯配備的軟件進行語音提醒設計。這也是一種互聯的技術。

（2）在手機上設定合適的溫度，當保溫杯的溫度達到手機所設置的溫度時，保溫杯通過藍牙連接將數據反饋給手機，手機則會發出產品用戶所設定的提示。提示的音效可根據用戶的需要任意設置。

（3）在保溫杯杯體上設置語言按鈕，當按下按鈕時溫度會播報出來，使兒童、盲人或者視力差的老人也能隨時掌握準確水溫。

語音提醒功能的適用性十分強大，不僅能夠滿足年輕人的愛好，也能夠以較低的成本為必須消費者提供更加方便的操作。功能相對于其他的智能保溫杯比較人性化以及全面。

4 結語

個性化的生活需求，傳統形式的保溫杯已經逐漸失去對用戶的吸引力，缺乏市場的競爭力。如今產品都已逐步走向智能化，保溫杯想要在未來更廣闊的市場中站穩腳跟，于其他制造產品中脫穎而出，就需要通過創新來增強其核心競爭力。新型保溫杯在傳統保溫杯的基礎之上新增了溫度顯示和語音提醒的功能，不僅擺脫了功能單一的缺陷，還更加智能化，未來隨著經濟水平的提升，它將獲得更多的市場空間，成為生活中每個人的必備品。