基于物聯網云平臺的智能飲水機設計

摘 要：針對傳統飲水機功能單一、能耗高、無法精確注水和難以獲取飲水機實時狀態的問題，設計了一款基于物聯網技術的智能飲水機。以樹莓派（Raspberry Pi 4B）作為核心控制器，集成了智能水杯高度檢測、自動注水、水溫控制、環境檢測和語音提醒等多個模塊。同時，采用PID控制算法，實現了對注水速度的精確控制，以適應不同材質和大小的水杯。此外，還開發了一個云智能APP的操作界面，使用戶可以遠程查看和控制飲水機的狀態。通過對飲水機的水杯參數、注水速度和水溫控制等功能進行測試，發現該飲水機性能穩定，并達到了預期的設計目標。

關鍵詞：物聯網；樹莓派；智能飲水機；PID控制；移動終端；水杯高度檢測

中圖分類號：TP391；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-05

0 引 言

水是維持人類生命的基本要素。在日常生活中，飲水機在滿足人們的飲水需求方面起到了關鍵作用[1]。隨著物聯網技術的進步，設備互聯得以實現，這極大提升了飲水機的智能化程度和用戶使用的便利性[2-3]。

盡管飲水機技術研究取得了一定進展，但仍存在一些問題。文獻[4]提出了一種基于單片機的智能飲水控制系統，不過其僅著眼于飲水機控制模塊的設計，未對飲水機機械結構展開研究。文獻[5]設計了一款基于AT89C51的智能飲水機，雖利用多組紅外傳感器實時測量水杯水位高度，卻缺少對水杯高度的自動測量功能，這使得不同材質和大小的水杯無法被精確注水；而且采用的藍牙通信方式在傳輸范圍和效率方面相較于無線局域網通信方式存在局限性。文獻[6]利用物聯網技術設計了一款智能飲水機控制系統，該系統主要依據視覺信息判斷飲水機狀態，然而缺乏更多交互方式，可能會降低用戶交互的豐富性。

為了解決現有飲水機存在的問題，本文以樹莓派作為核心，集成傳感器和飲水機機械結構，設計了一款基于物聯網技術的智能飲水機。該飲水機能夠自動識別不同材質和大小的水杯，并通過PID算法進行精確注水，從而避免水資源浪費和用戶燙傷風險。為了提高用戶的交互體驗，該設計還增加了語音交互功能。用戶可以通過移動應用遠程調節和監控飲水機的狀態。

1 系統總體設計

智能飲水機系統分為硬件層面和軟件層面兩個部分，整體結構框圖如圖1所示。

在系統的硬件層面，選用樹莓派作為主控模塊。同時，配備智能水杯高度檢測模塊、智能自動注水模塊、智能水溫控制模塊、周圍環境檢測模塊以及語音提示模塊等。由此，實現對飲水機周圍環境溫濕度的采集、語音提示、水溫調節、杯高檢測以及自動注水等功能。

在系統的軟件層面，阿里云IoT平臺與移動智能終端發揮著重要作用。消息隊列傳輸（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是一種專為物聯網設備及傳感器網絡開發的輕量級發布/訂閱消息傳輸協議[7]，具有低功耗、異步通信、高度可靠等主要特性，適用于資源受限的場景，如實時的傳感器數據傳輸和大量設備間的通信。因此，在WiFi環境下，主控模塊利用MQTT協議與阿里云IoT平臺建立連接，以確保與云端的穩定通信。同時，移動智能終端借助MQTT協議向平臺發布和訂閱消息，這樣既能獲取智能飲水機的各項數據，又能實現遠程控制。

2 系統硬件設計

飲水機注水系統由水杯檢測電路、水杯高度檢測電路、抽水泵控制電路、水流速檢測電路和水位檢測電路組成。水溫控制系統則采用一路繼電器控制加熱棒，并配合水箱液位檢測電路，具體硬件原理如圖2所示。

2.1 系統主控模塊

主控模塊是系統的控制中樞，需要具備足夠的處理能力、多樣的接口和通信能力，且性能要穩定可靠。鑒于這些需求，本文選用樹莓派4B進行設計，由它負責整個系統的協調、處理和控制。樹莓派4B主控模塊擁有多種接口，如HDMI顯示接口、USB數據接口、3.5 mm音頻接口、千兆網線接口、CSI攝像頭接口、DSI顯示屏接口以及40個GPIO引腳[8]，能夠滿足飲水機系統的控制需求。

2.2 智能水杯高度檢測模塊

智能水杯高度檢測模塊負責測量水杯的高度，主要由水杯檢測電路和水杯高度檢測電路組成。其中，水杯檢測電路運用LM393紅外傳感器，能夠識別飲水機前是否已放置水杯。高度檢測電路則結合HC-SR04超聲波傳感器、L298N電機控制板、N20減速電機和升降軌道共同來實現。

當水杯放置在紅外傳感器的檢測區域時，減速電機會通過尼龍繩拉動超聲波傳感器向上運動。待到達水杯頂部后，減速電機改變運動方向，向下運動至水杯底面，期間記錄超聲波傳感器的上升時間，進而計算出水杯高度。

2.3 智能自動注水模塊

智能自動注水模塊主要用于向水杯注水，其由抽水泵控制電路、水流速檢測電路和水位檢測電路構成。抽水泵控制電路借助L298N電機控制板驅動，以此控制抽水泵向水杯注水。

水流速檢測電路采用YF-S401進行設計，傳感器檢測到水流時會產生脈沖信號，這些信號隨后被主控模塊采集并處理，進而計算出實時注水速度。

水位檢測電路中，主控模塊接收超聲波傳感器采集的水位數據，并與杯子高度進行比較。當水位接近杯子頂端時，注水速度會相應減慢；當檢測到水位達到杯子高度的80%時，系統將自動關閉抽水泵，停止注水，確保用戶不會被水濺到或被燙傷。

2.4 智能水溫控制模塊

智能水溫控制模塊承擔著對水溫進行精確調節的任務。其電路設計采用了防水型溫度傳感器DS18B20、非接觸式液位傳感器XKC-Y23A以及電熱棒。DS18B20被用于實時監測水箱內的水溫，XKC-Y23A則負責檢測水箱的水位。當水箱水位在安全范圍內且實測水溫低于預設水溫時，主控模塊將控制繼電器，讓電熱棒開始工作，將水箱中的水加熱到預設水溫。為保證水溫的穩定性，該模塊會定期檢測水位和水溫，并依據檢測結果動態調整電熱棒的工作狀態。

2.5 周圍環境檢測模塊

為優化用戶的飲水體驗，設計了周圍環境檢測模塊。此模塊運用DHT11溫濕度傳感器，實時監測周邊環境的溫度與濕度數據。當室內溫度低于20 ℃且用戶未進行溫度設定時，系統將自動把水溫調整至30 ℃，從而確保用戶得到更舒適的飲水體驗。

2.6 語音提示模塊

為增強用戶與飲水機的交互體驗，設計了語音提示模塊。該模塊借助百度智能云平臺提供的語音合成Python SDK組件，利用HTTPS協議與平臺通信，把預設的提示文本轉化為語音輸出。另外，為實現語音播放，采用主控模塊的

3.5 mm音頻接口連接外部小音箱。

3 系統軟件設計

通過安全外殼協議（SSH）來連接樹莓派與PyCharm，并且運用安全文件傳輸協議進行文件傳輸，進而在PyCharm里實現對樹莓派的遠程編程。

3.1 注水功能實現

注水功能程序的整體流程如圖3所示。首先，測量部分借助減速電機、超聲波傳感器和紅外傳感器來完成水杯高度的測量。其次，水箱水位檢測部分運用非接觸液位傳感器及時獲取水箱水位信息，以確保能為用戶提供足夠的水。最后，注水部分采用PID算法調節PWM信號的占空比，以此控制抽水泵的轉速，進而實現注水速度的控制。注水操作是依據超聲波傳感器實時獲取的杯中水位來進行的，隨著注水過程的推進，注水速度共分為四個區間：當水位達到杯高的0%～20%時，注水速度為1.2 L/min；達到杯高的20%～40%時，注水速度為1 L/min；達到杯高的40%～60%時，注水速度為0.8 L/min；達到杯高的60%～80%時，注水速度為0.6 L/min；當水杯中的水位達到杯高的80%時，關閉抽水泵，完成注水操作。

3.1.1 測距原理

采用升降軌道上的超聲波測距模塊檢測水杯高度。此模塊的工作原理是基于超聲波傳感器發射的超聲波脈沖以及被測物體的反射信號，由主控模塊計算信號的時間差進而得出水杯高度。

3.1.2 測水流速原理

水流速計算的原理如下：當水流經YF-S401水流速霍爾傳感器時，該傳感器會發出脈沖信號，此脈沖信號會被傳輸給主控模塊。然后，利用式（1）計算瞬時水流速，最后把脈沖信號轉變為數字信號。

Q=T（F+3）/5.5 （1）

式中：Q是流速，單位是L/min；F是頻率，單位是Hz；T是時間，單位是s。

3.1.3 PID控制水流速原理

在控制直流抽水泵時，選擇主控模塊的GPIO作為PWM信號控制端。PWM可通過調節脈沖寬度來改變PWM脈沖信號的占空比，由此改變直流水泵兩端壓降的平均值，實現直流水泵的調速，最終精確控制出水流速。這種控制方式主要基于增量式PID控制算法，執行機構為L298N模塊，被控對象是直流抽水泵。增量式算法控制原理如圖4所示。

在增量式PID控制方式下，每次輸出的控制值只是控制的增量。這樣一來，被控對象的參數變化會更加平穩，從而確保控制系統的穩定性[9-11]。增量式PID控制算法程序流程如圖5所示。

3.2 溫控功能實現

溫控功能程序的整體流程如圖6所示。該程序可通過XKC-Y23A檢測水箱水位，從而實時獲取水箱水位信息。當檢測到水箱水位低于預設的安全水位時，系統會對加熱棒的工作狀態進行判斷，若加熱棒處于工作狀態，則及時執行斷電操作，以防止干燒現象發生。當檢測到用戶下達加熱請求時，系統會比較實時水溫與用戶設定水溫，并持續加熱直至達到設定水溫。

3.3 語音合成功能實現

文字轉語音（Text-to-Speech， TTS）是一種將文字信息轉化為語音輸出的技術。百度智能云平臺提供語音合成服務，用戶在該平臺注冊完成后，即可直接訪問并調用平臺的REST API。在調用語音合成服務時，首先輸入獲取到的APP ID、API Key和Secret Key，這樣能夠確保與百度智能云的語音合成接口正常通信。然后上傳需要轉換成語音的文本內容。最后將平臺返回的數據保存在本地，生成MP3格式。

3.4 IoT平臺通信功能實現

IoT平臺通信程序的整體流程如圖7所示，本設計選用阿里云物聯網平臺作為IoT平臺。其操作流程如下： 首先，登錄阿里云IoT平臺控制臺，創建相應產品并添加設備。 接著，為產品定義物理模型，包括為所創建的產品定義物理模型，并給該模型增添自定義的功能與屬性。 完成以上步驟后，便可建立設備與平臺之間的通信。具體而言，主控模塊與平臺建立MQTT連接且成功訂閱消息的topic，進而將數據上報到云端。在通信程序中構建與云平臺模型一致的消息結構，把獲取的系統數據放入其中，再通過Alink封裝類將構建好的消息結構轉換為JSON格式，推送至阿里云IoT平臺，完成數據的采集和上報操作[12]。 最后，通過周期性操作，實現設備數據定時上報至阿里云IoT平臺，以保持與云端的數據同步。

3.5 云智能APP功能的實現

云智能APP是一款基于阿里云生活物聯網平臺開發的移動程序。用戶借助該APP能夠向阿里云IoT平臺發布消息，阿里云IoT平臺會對接收的消息進行發布操作。設備通過訂閱云平臺的消息主題，依據消息內容執行相應操作。在設備執行操作之后，其會把更新后的系統數據傳輸至阿里云IoT平臺以及云智能APP，從而實現數據的實時更新，為用戶提供與飲水機實時交互的能力。云智能APP的軟件界面如圖8所示。

4 系統測試與分析

基于物聯網云平臺的智能飲水機有著完整的硬件組成，其核心為樹莓派4B主控模塊，它能夠協調各組件高效運行。其中，防水型溫度傳感器（DS18B20）負責實時監測水箱水溫，提供精確的溫度數據，確保水溫控制的準確性。溫濕度傳感器（DHT11）負責測量環境溫濕度。非接觸液位傳感器（XKC-Y23A）能夠精準檢測水箱水位。超聲波傳感器（HC-SR04）通過發射和接收超聲波脈沖，測量水杯高度，其能夠適應不同規格的水杯。紅外傳感器（LM393）能夠靈敏地檢測水杯是否被正確放置。抽水泵在L298N電機控制板的驅動控制下，能夠穩定地將水從水箱抽出并注入水杯，同時結合PID算法，可以確保注水過程平穩且可控。加熱棒通過繼電器模塊控制，能夠迅速對水箱中的水進行加熱。儲水箱保障系統有充足的水供應，以維持飲水機的正常運行。小音箱連接主控模塊的音頻接口，能夠播放清晰的語音提示，以增強用戶的交互體驗，使操作更加便捷和直觀。

4.1 系統通信

系統與阿里云IoT平臺通信的數據包含室內溫濕度、水杯高度、水杯水位、水箱的水溫和水位、當前加熱狀態以及設定的目標水溫。設備的云端運行日志見表1。

針對云智能APP控制反應時間進行多次實驗后，結果表明：使用APP控制飲水機時，反應時間存在差異。反應時間最短為1.25 s，最長可達2.82 s，平均為1.87 s。該反應時間和用戶及設備所連接的WiFi網絡傳輸速度有關。

4.2 系統功能測試

系統功能測試內容包括水杯參數測試、注水速度測試和溫控誤差測試。經過市場調研并綜合考慮通用性、安全性、材料影響和實用性等因素，本文選擇了塑料杯、玻璃杯、PC保溫水杯、運動水杯這四種高度和材質各異的水杯進行水杯參數測試。選擇了10%、30%、50%、70%和90%這五個水位比例作為測試點進行注水速度測試。

根據表2的實驗數據，杯高測量的平均誤差為2.52%；完成注水后，水位比例的平均誤差為3.31%。從表3的數據來看，不同水杯的注水速度平均誤差為2.65%。根據表4的數據，水溫測量的誤差范圍為±0.5 ℃。考慮到潛在的操作誤差，水杯的參數、注水速度和水溫的測量結果都視為滿足實驗標準。

5 結 語

傳統家庭飲水機在接水、管理及用戶交互方面存在一定局限性。為解決這些問題，設計了一款基于物聯網技術的智能飲水機。該飲水機能夠為不同材質和大小的水杯自動注水，并利用PID算法對水流進行精準控制。同時，借助阿里云IoT云平臺，該飲水機實現了遠程控制和管理的功能，部署起來更為簡便。此外，用戶可以通過云智能APP實時監控和控制飲水機的狀態，進一步增強了其實用性和智能化程度。因此，該飲水機不僅適用于家庭，還可廣泛應用于學校和醫院等公共場所。

參考文獻

[1] 佚名. 2020年4月全國主要家用電器產品產量[J].家電科技，2020（5）：127.

[2] LAGHARI A A， WU K， LAGHARI R A， et al. A review and state of art of Internet of Things （IoT） [J]. Archives of computational methods in engineering， 2021： 1-19.

[3] 邱平平.物聯網領域通信工程技術的應用研究[J].數字通信世界，2024（4）：131-133.

[4] 朱恩澤，齊勝男，田方琦，等.一種基于單片機的智能飲水機設計[J].中國科技信息，2020（2）：45-46.

[5] 陶輝.基于AT89C51單片機的智能飲水機設計[J].科技創新導報，2019，16（16）：67-69.

[6] 黃道燚，陳敏敏.基于物聯網技術的智能飲水機設計研究[J].赤峰學院學報（自然科學版），2020，36（4）：20-22.

[7] 陳雪小.基于樹莓派+云服務的溫濕度檢測系統設計[J].科技與創新，2022（10）：80-81.

[8] 鄧自寧.基于情景感知的智能家居系統設計與實現[D].銀川：北方民族大學，2022.

[9] 李海，羅佳.基于改進PID算法的恒溫控制系統設計[J].制造業自動化，2022，44（4）：66-69.

[10] 丁燕.速熱飲水機控制器系統設計研究[D].南京：南京理工大學，2016.

[11] BORASE R P， MAGHADE D K， SONDKAR S Y， et al. A review of PID control， tuning methods and applications [J]. International journal of dynamics and control， 2021， 9： 818-827.

[12] 舒連成.基于樹莓派和云平臺的智能家居控制裝置設計[D].大連：大連理工大學，2020.

收稿日期：2024-05-20 修回日期：2024-06-24

基金項目：福建理工大學科研計劃項目（GYZ20072）