黎曉聰 蔣凱洋 賴梓德 李浩釗

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528200)

一、引言

電水壺在1891年誕生于芝加哥。隨著科技的發(fā)展，快捷、安全、便利、充分利用能源 日漸成為了水壺的主要特點，嗜茶的英國人從此便愛上她了。到了二十一世紀(jì)便成為全球 的暢銷品。電水壺采用的是蒸氣智能感應(yīng)控溫，具有水沸騰后自動斷電、防干燒斷電的功 能。隨著生活的需要，電水壺也正在向多功能方向發(fā)展，如防漏、防燙、鎖水等。電水壺具有 加熱速度快，保溫效果好，過濾功能強，式樣多等優(yōu)點，但是少有自動注水和遠(yuǎn)程控制功能，無法實現(xiàn)溫度控制、節(jié)省能量、控制溫度等功能。

本設(shè)計采用不銹鋼作為主體材料，將單片機、溫度傳感器、自動注水裝置、Wi-Fi等模塊安裝在智能電熱水壺裝置上，當(dāng)抽水泵工作時自動上水到液位傳感器水位位置，然后控制繼電器控制電磁閥開始煮水。當(dāng)溫度設(shè)置在一定區(qū)間時，利用控溫裝置將水溫控制在這一溫度區(qū)間，可以通過Android系統(tǒng)將移動終端和智能電熱水壺連接起來，還具有定時啟動等功能。

二、智能電熱水壺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由“智能電熱水壺遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場裝置(以下簡稱“現(xiàn)場裝置”)”、“服務(wù)器”、“移動終端”三部分組成。該系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能電熱水壺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)場裝置使用 AT89C51 作為單片機主控芯片,主要由 “液位測量模塊”、“溫度測量模塊”、“液晶顯示模塊”、“獨立按鍵模塊”、“蜂鳴器報警模塊”、“燒水控制模塊”和“Wi-Fi通信模塊”組成。

三、智能電熱水壺硬件設(shè)計及原理分析

智能電熱水壺現(xiàn)場裝置使用AT89C51作為單片機主控芯片，主要由“液位測量模塊”、“溫度測量模塊”、“液晶顯示模塊”、“獨立按鍵模塊”、“蜂鳴器報警模塊”、“燒水控制模塊”和“Wi-Fi通信模塊”組成。其現(xiàn)場裝置設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 智能電熱水壺現(xiàn)場裝置設(shè)計框圖

智能電熱水壺現(xiàn)場裝置：利用自動上水模塊啟動自動注水，超聲波液位傳感器測量水位，將信號傳輸?shù)絾纹瑱C后，然后控制繼電器來控制電磁閥開始工作。

(一)利用DS18B20溫度傳感器將水溫信號傳輸?shù)絾纹瑱C進行數(shù)據(jù)處理，液晶顯示屏顯示水溫和當(dāng)前工作狀態(tài)(加熱、保溫)，當(dāng)水溫度達到100℃時，蜂鳴器報警，斷開繼電器，停止加熱，通過單片機和傳感器編寫程序設(shè)計控溫系統(tǒng)，當(dāng)溫度設(shè)置在某一溫度時，低于該溫度時自動加熱至略高于該溫度5℃左右。

(二)添加Wi-Fi通信模塊Esp8266和Android移動終端的APP進行遠(yuǎn)程控制，其中ESP8266 串口 Wi-Fi 模塊的封裝大小和低能耗技術(shù)適合物聯(lián)網(wǎng)的使用設(shè)計，僅需很少的外圍電路，可將所占 PCB 空間降低。ESP8266 具有完善的節(jié)能結(jié)構(gòu)，支持主動模式、睡眠模式和深度睡眠模式，用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模式。ESP8266 串口 Wi-Fi 擁有很多優(yōu)點，如能量消耗較低、體積相對較小、價格相對便宜、燒寫固件方便、傳輸數(shù)據(jù)速度較快、工作溫度范圍極其廣泛、保持相對穩(wěn)定的性能及適應(yīng)大部分操作環(huán)境。

(三)HC-SR04 超聲波傳感器作為距離測量傳感器，測量出與液位之間的距離，把測量數(shù)據(jù)顯示在 LCD1602上面。

四、Android移動終端的APP

本智能電熱水壺可以與Android移動終端的APP進行連接，無需走動到智能電熱水壺位置即可完成遠(yuǎn)程控制，可觀測到當(dāng)前水溫和進行一系列燒水的操作。APP的頁面設(shè)計如圖3所示。

圖3 Android移動終端的APP頁面

該Android移動終端的APP由通信模塊、顯示模塊和設(shè)定模塊三部分組成。

(一)通信模塊：通信模塊由服務(wù)器連接和數(shù)據(jù)通信兩部分組成?，F(xiàn)場裝置通過Wi-Fi通信模塊將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，Android移動終端成功連接服務(wù)器后，即可接收到當(dāng)前的水溫數(shù)據(jù)。通過Android移動終端的APP發(fā)出控制命令至服務(wù)器，服務(wù)器再將控制命令發(fā)送到Wi-Fi通信模塊控制單片機進行工作，進而完成上水、煮水等操作。

(二)顯示模塊：顯示模塊顯示智能電熱水壺當(dāng)前水溫和定時時間。顯示實時水溫，服務(wù)器發(fā)送到Android移動終端的數(shù)據(jù)每1s刷新一次。同時顯示定時時間，定時時間到會彈出對話框詢問是否進行“一鍵煮水”。

(三)設(shè)定模塊：設(shè)定模塊包括“控制水溫”、“定時”、“開始加熱”、“停止加熱”、“開始上水”、“停止上水”、“一鍵煮水”的設(shè)定。設(shè)定“控制水溫”，即控制水溫在略高于指定溫度5℃左右，點擊“確認(rèn)”，Android移動終端發(fā)送該控制指令至服務(wù)器，再由服務(wù)器傳輸至Wi-Fi通信模塊控制單片機。設(shè)定“定時”，點擊“確認(rèn)”，Android移動終端的APP開啟倒計時，到時間后彈窗提示用戶進行相關(guān)操作。點擊“開始加熱”、“停止加熱”、“開始上水”、“停止上水”，可對智能電熱水壺進行遠(yuǎn)程控制操作。點擊“一鍵煮水”，Android移動終端發(fā)送該控制指令至服務(wù)器，再由服務(wù)器傳輸至Wi-Fi通信模塊控制單片機執(zhí)行預(yù)定程序，進而進行一系列的上水、煮水操作。

五、結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智能家居逐漸走進人們的日常生活，給人們帶來了許多便利和舒適。在追求便捷、舒適、安全的前提下，如何將智能家居各部分功能一體化也是一個值得研究的課題。

該智能電熱水壺實現(xiàn)了多項功能的一體化，可以使用Android移動終端的APP進行遠(yuǎn)程控制，具有顯示實時水溫、定時彈窗、自動上水、一鍵煮水等功能。人們可以直觀地看到水溫，并且通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)完成上水、煮水的操作，無需手動去上水和啟動水壺開關(guān)，減少繁瑣的操作。通過編寫的程序，實現(xiàn)溫度控制的功能，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時，自動加熱至高于該設(shè)定溫度5℃左右，幫助人們調(diào)節(jié)到想要控制的溫度。同時，該APP界面設(shè)計簡潔明了，操作簡單，容易上手。