張煥立 馮 青

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院

基于用戶飲水習(xí)慣的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)

張煥立 馮 青

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院

針對(duì)辦公室和家庭飲水機(jī)存在的電能浪費(fèi)、千滾水等問題，研制了一種能夠記錄用戶飲水習(xí)慣的智能飲水機(jī)。本文首先對(duì)傳統(tǒng)飲水機(jī)的工作原理進(jìn)行了分析，提出就一種基于用戶飲水習(xí)慣的智能節(jié)能飲水機(jī)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)固定用戶的飲水時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，減少飲水機(jī)加熱次數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

機(jī)器學(xué)習(xí)、飲水機(jī)、節(jié)能

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)飲用水也提出了較高的要求。伴隨著桶裝水的熱銷，飲水機(jī)也隨之得到了廣泛的普及。傳統(tǒng)飲水機(jī)溫度控制方法是采用當(dāng)溫度上升到設(shè)定值后，停止加熱，水箱里的水緩慢散熱，當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，重新加熱到設(shè)定溫度。水箱內(nèi)的水經(jīng)反復(fù)加熱，俗稱“千滾水”。就目前市場(chǎng)上的銷售飲水機(jī)而言，由于自身設(shè)計(jì)的缺陷或者疏于管理等原因，飲水機(jī)日夜待機(jī)工作及反復(fù)加熱造成了巨大的電能浪費(fèi)。而且反復(fù)加熱極易在飲水機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生水垢，危害人體的健康[1]。有研究表明人們?cè)陲嬎畷r(shí)間上通常具有規(guī)律性，如清早起床一杯水；開始工作前一杯水等飲水習(xí)慣[2]。本文即根據(jù)此項(xiàng)生活習(xí)慣，設(shè)計(jì)一款能夠根據(jù)用戶飲水習(xí)慣智能加熱制冷的飲水機(jī)，從而有效的解決普通飲水機(jī)存在的以上問題。

1 智能飲水機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)由溫度控制模塊、顯示模塊、時(shí)鐘日歷模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)間及用水種類，對(duì)用戶飲水情況歷史數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)顯示飲水機(jī)工作狀態(tài)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段保證水溫在設(shè)定值，其他時(shí)間段為低功耗運(yùn)行模式，以達(dá)到節(jié)省電能的目的。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，控制系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成，對(duì)各模塊功能設(shè)計(jì)如下:

1.1 顯示模塊

系統(tǒng)采用一塊1602液晶屏顯示飲水機(jī)工作狀態(tài)，包括熱水溫度、冷水溫度、當(dāng)前時(shí)間日期及工作模式。

1.2 日歷時(shí)鐘模塊

日歷時(shí)鐘模塊采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS12C887時(shí)鐘芯片，它將晶振電路、寫保護(hù)電路、可充電鋰電池等一起封裝在一個(gè)24引腳的雙列直插式芯片內(nèi)，是一個(gè)完整的子系統(tǒng)?？杀ＷC飲水機(jī)在斷電的情況下時(shí)鐘依然準(zhǔn)確。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用IIC總線的EEPROM存儲(chǔ)器，考慮到主要存儲(chǔ)內(nèi)容為時(shí)間和星期，每次取水信息可占用3個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，設(shè)每天取水小于300次，則每天數(shù)據(jù)大約占用1k字節(jié)數(shù)據(jù)。考慮到現(xiàn)在以周作為工作休息周期，在最少存儲(chǔ)2周數(shù)據(jù)的情況下，存儲(chǔ)器只要選擇大于14k字節(jié)的存儲(chǔ)器即可。

1.4 核心控制器

通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算量、成本、穩(wěn)定性等方面考慮，系統(tǒng)核心控制器選擇STC公司的12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)具有單指令周期，豐富的片內(nèi)外設(shè)及低功耗設(shè)計(jì)。

1.5 溫度控制模塊

飲水機(jī)通常具有冷水和熱水兩個(gè)出水口，其中冷水多使用半導(dǎo)體制冷方式；熱水采用電阻式加熱棒獲??；鑒于中國(guó)人較習(xí)慣飲用熱水，飲水機(jī)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(jié)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(guān)電源模組構(gòu)成，具有體積小，重量輕，成本低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

2 飲水機(jī)的軟件功能設(shè)計(jì)

由于固定用戶飲水時(shí)間具有相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，使飲水機(jī)能夠獲得用戶作息時(shí)間、飲水習(xí)慣等數(shù)據(jù)，飲水機(jī)自動(dòng)切換工作模式以便實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：初始化模塊、學(xué)習(xí)模塊、狀態(tài)控制模塊。

2.1 初始化模塊

智能飲水機(jī)初次開機(jī)后，會(huì)先將水箱加熱到設(shè)定溫度上限，取得首次升溫時(shí)間t1，后獲取水箱自然冷卻到設(shè)定溫度下限的時(shí)間，記為自然冷卻時(shí)間t2。

2.2 學(xué)習(xí)模塊

系統(tǒng)記錄每次用戶取水的時(shí)間，以24小時(shí)作為一個(gè)采集小周期，以7天作為一個(gè)大周期。將每個(gè)星期的同一天，如一個(gè)月的每個(gè)星期一數(shù)據(jù)選出，進(jìn)行疊加，根據(jù)t2時(shí)間長(zhǎng)度做滑窗運(yùn)算，如兩次取水時(shí)間小于t2，則認(rèn)為是此時(shí)間段為用戶活躍期。如兩次取水時(shí)間大于t2，則判定次時(shí)間段為用戶隨機(jī)期。

2.3 狀態(tài)控制模塊

系統(tǒng)掃描存儲(chǔ)器中活躍期的時(shí)間起始點(diǎn)，縮短t1時(shí)長(zhǎng)進(jìn)入工作狀態(tài)，以便當(dāng)用戶到達(dá)時(shí)水溫已經(jīng)恒定。當(dāng)掃描到進(jìn)入隨機(jī)期時(shí)則進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，系統(tǒng)停止加熱或制冷。

3 實(shí)驗(yàn)情況

設(shè)計(jì)選用美的M930型冷熱家用飲水機(jī)進(jìn)行改裝，同時(shí)提供對(duì)比數(shù)據(jù)。分別在自己家里(3人)和辦公室(10人)使用，飲水機(jī)的功率為500w，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為1個(gè)月。使用一塊單項(xiàng)電表作為消耗電能的計(jì)量裝置。實(shí)驗(yàn)得到的耗電數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 改裝前后飲水機(jī)耗電數(shù)據(jù)情況對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)辦公室環(huán)境節(jié)能超40%，家庭環(huán)境節(jié)能超70%。辦公室由于人員較雜，飲水情況相對(duì)較為隨機(jī)?？紤]到現(xiàn)今社會(huì)加班的普遍情況，飲水機(jī)能夠根據(jù)用戶真實(shí)的使用時(shí)間控制加熱，取得一定的節(jié)能效果。在家庭環(huán)境下由于起居時(shí)間較為穩(wěn)定，節(jié)能效果十分顯著。當(dāng)突發(fā)情況發(fā)生時(shí)水溫不滿足設(shè)定值是機(jī)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(shí)間。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)具有自身功耗低、使用靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)用戶的飲水習(xí)慣控制飲水機(jī)加熱時(shí)間，以達(dá)到降低電能消耗達(dá)到節(jié)能的目的，符合當(dāng)前綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳的生活方式。

[1] 謝晉雄，張棟.一種基于模糊控制的節(jié)能飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].家電科技.2010.

[2] 陳忠仁，朱明君，黃鍵.一種基于自學(xué)習(xí)模糊控制的智能飲水機(jī)節(jié)電器[J]節(jié)能.2016.

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新科研項(xiàng)目