姚蔚奇，裴利凱

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044）

隨著智能化設(shè)備與共享文化的不斷發(fā)展，我們身邊出現(xiàn)了許多如共享單車等智能化共享設(shè)備，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備便利了我們的生活。而在飲水機(jī)市場中也出現(xiàn)了共享飲水機(jī)。針對(duì)傳統(tǒng)桶裝水人工成本高、需要存儲(chǔ)等問題，出于環(huán)保與快捷方面的考慮，共享飲水機(jī)在共享文化快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代具有越來越大市場。目前，市場上的一些共享飲水機(jī)存在功能單一、能耗大、使用不方便等問題[1-2]，投放在公共場所的飲水機(jī)大都沒有連接互聯(lián)網(wǎng)，管理員難以及時(shí)獲取設(shè)備工作情況，設(shè)備故障時(shí)需要依靠用戶進(jìn)行報(bào)修。同時(shí)大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備微處理器的設(shè)計(jì)公司和生產(chǎn)商是來自國外。因此本文基于國產(chǎn)單片機(jī)BL604嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款共享智能飲水機(jī)設(shè)備。該智能設(shè)備是以BL604為微處理器，通過連接DS18B20等傳感器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，具有溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、氣壓測量、自動(dòng)補(bǔ)水等功能，通過單片機(jī)的內(nèi)置WIFI模塊連接至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。該智能設(shè)備實(shí)用性強(qiáng)，功能得到了拓展，適合在公共場所推廣使用。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的共享智能飲水機(jī)由凈水箱、儲(chǔ)水箱和控制電路3個(gè)部分組成。凈水箱由濾芯、活性炭、海綿等水質(zhì)過濾物組成，可以將自來水過濾為飲用水；儲(chǔ)水箱用來存儲(chǔ)過濾后的飲用水，分為熱水箱和冷水箱；控制電路用來實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的控制功能，通過對(duì)外界參數(shù)的測量調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)，使飲水機(jī)更加智能化。該系統(tǒng)通過云平臺(tái)擬構(gòu)建的管理者、用戶和設(shè)備間的關(guān)系如圖1所示。飲水機(jī)設(shè)備可以通過云平臺(tái)上報(bào)日志供管理員查看，以便管理員對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。管理員也可以在云平臺(tái)上查看設(shè)備的使用頻率，收集用戶意見，通過收集數(shù)據(jù)并分析來選擇飲水機(jī)合適的投放地點(diǎn)。用戶通過手機(jī)APP連接至云平臺(tái)，通過云平臺(tái)獲取取水碼，激活飲水機(jī)后進(jìn)行取水。

圖1 云平臺(tái)關(guān)系圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能飲水機(jī)硬件電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是以BL604作為微處理器，通過一些外設(shè)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其主要的傳感器有溫度傳感器、壓力傳感器和氣壓傳感器。

圖2 硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 微處理器

該飲水機(jī)采用博流公司開發(fā)的BL604作為微處理器，該芯片內(nèi)處理器采用RISC-V 32bit帶浮點(diǎn)，是國內(nèi)首款基于RISC-V內(nèi)核的Wi-Fi+BLE Combo芯片，它搭配高速處理內(nèi)存系統(tǒng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)的運(yùn)算效率。而RISC-V開源指令集的出現(xiàn)使得IP設(shè)計(jì)得到了徹底的解放，在產(chǎn)品定制需求多樣化等應(yīng)用的需求上有著絕對(duì)的優(yōu)勢[3]。

處理器外部為多層32-bit AHB架構(gòu)，具有低功耗、低延遲、高彈性的特性，適用于低功耗、高性能的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與開發(fā)。微控制器子系統(tǒng)包含一個(gè)低功耗的32位RISC-V CPU、高速緩存和存儲(chǔ)器。電源管理單元控制低功耗模式，此外還支持各種安全性能。該微處理器的外設(shè)豐富，主要有1路SPI主/從機(jī)（最高速度可達(dá)40 Mbps）、2路UART（最高波特率可達(dá)10 Mbps，支持RTS/CTS流控）、12路12-bit通用ADC（最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)2 Msps）、2個(gè)32位通用定時(shí)器、4個(gè)DMA通道、23個(gè)GPIO等。其芯片的引腳圖如圖3所示。目前市場上微處理器大多以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32為主，而本文的智能飲水機(jī)設(shè)備將國產(chǎn)的單片機(jī)作為主控芯片，有利于國產(chǎn)芯片的推廣和發(fā)展，豐富我國國產(chǎn)單片機(jī)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

圖3 微處理器引腳圖

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器用來測量熱水的溫度，配合加熱器實(shí)現(xiàn)恒溫效果，本文溫度傳感器使用的是DS18B20，它可以將溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有成本低、引腳資源占用少、精度高、噪聲容限大等特點(diǎn)。DS18B20的分辨率可調(diào)，最高分辨率為0.062 5℃。其與單片機(jī)通過單總線協(xié)議進(jìn)行通信，僅有一條數(shù)據(jù)線，因此其對(duì)時(shí)序要求非常嚴(yán)格以確保數(shù)據(jù)的完整性。DS18B20的原理圖如圖4所示，數(shù)據(jù)線DQ連接至單片機(jī)的GPIO5引腳，單片機(jī)通過程序模擬單總線協(xié)議與傳感器進(jìn)行通訊，從而通過DS18B20讀取水溫，并顯示在LCD屏幕上，當(dāng)溫度低于閾值時(shí)繼電器打開，加熱器開始工作。

圖4 DS18B20原理圖

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器用來測量儲(chǔ)水箱的重量，通過測量水箱對(duì)傳感器的壓力就可以檢測水箱水量的剩余情況。當(dāng)水箱水量不足時(shí)，凈水箱將對(duì)儲(chǔ)水箱進(jìn)行補(bǔ)水。由于對(duì)于壓力的測量精度要求并不高，可以采用壓敏電阻測量壓力。壓力傳感器模塊由壓敏電阻和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。壓敏電阻施加作用力越大，傳感器阻值越小，不施加作用力時(shí)，電阻趨于無限大。電壓轉(zhuǎn)換模塊將電阻阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用單片機(jī)的片內(nèi)ADC測量電壓可以測得壓力的變化。

壓力傳感器的原理圖如圖5所示。運(yùn)放U2A采用的芯片是OP07，其構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離與緩沖的作用。R1、R2、R4構(gòu)成分壓電路，R3、C6構(gòu)成低通濾波，可以減小噪聲對(duì)直流電壓測量的影響，輸出的直流電壓連接至單片機(jī)的一個(gè)ADC引腳GPIO10。

圖5 壓力傳感器原理圖

2.4 氣壓傳感器

氣壓傳感器用來測量設(shè)備工作環(huán)境的大氣壓，由于水的沸點(diǎn)隨氣壓的降低而減小，對(duì)于熱水如果設(shè)置統(tǒng)一的加熱停止閾值，在低氣壓環(huán)境下容易出現(xiàn)干燒、千滾水的不利影響，既不利于飲水健康又增加了能耗，因此通過測量設(shè)備工作的大氣壓，對(duì)于不同的氣壓環(huán)境，該設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)整加熱停止的閾值，更加科學(xué)有效地進(jìn)行加熱[4]。氣壓傳感器采用MS5611傳感器，本文選用SPI協(xié)議進(jìn)行MS5611和單片機(jī)的通訊，通過外設(shè)SPI接口對(duì)傳感器發(fā)送指令并接受返回的數(shù)值，獲取氣壓情況。MS5611的原理圖如圖6所示，BARO_CS為傳感器的使能信號(hào)，由主設(shè)備（單片機(jī)）控制，連接至單片機(jī)SPI接口的CS端口；SPI_INT_MOSI是傳感器輸出數(shù)據(jù)給單片機(jī)接收，連接至單片機(jī)SPI接口的MOSI端口；SPI_INT_MOSO是單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)控制傳感器，連接至單片機(jī)SPI接口的MOSO端口；SPI_INT_MOSI為傳感器的工作時(shí)鐘，由單片機(jī)提供，連接至單片機(jī)SPI接口的SCK端口。

圖6 MS5611原理圖

2.5 LCD屏

LCD屏使用的是TFT液晶屏，單片機(jī)通過UART串口和LCD屏進(jìn)行通訊，通過發(fā)送指令控制屏幕進(jìn)行相應(yīng)的界面切換和數(shù)據(jù)顯示。該顯示屏為觸摸式液晶屏，用戶可以直接點(diǎn)擊屏幕進(jìn)行界面切換，完成取水所需的操作。LCD屏幕也可以根據(jù)商家的需求修改顯示界面，實(shí)現(xiàn)廣告的投放功能。

2.6 WIFI模塊

一般的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)需要用到ESP32提供WIFI模塊，而BL604單片機(jī)內(nèi)置了WIFI模塊，有利于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與開發(fā)。單片機(jī)通過WIFI模塊接入騰訊云平臺(tái)，在手機(jī)上通過APP小程序?qū)崿F(xiàn)向單片機(jī)發(fā)送指令和接收單片機(jī)數(shù)據(jù)并不斷更新顯示。物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)采用騰訊云平臺(tái)環(huán)境，其能夠提供各種云API函數(shù)和后臺(tái)管理服務(wù)[5]。飲水機(jī)的管理者可以通過騰訊云平臺(tái)的控制臺(tái)查看設(shè)備上報(bào)的日志，便于進(jìn)行設(shè)備的管理和維護(hù)。用戶可以通過手機(jī)APP連接至云平臺(tái)完成取水所需的操作。對(duì)于APP的開發(fā)，可使用騰訊云平臺(tái)進(jìn)行部署搭建所需的構(gòu)件庫[6]，APP界面如圖7所示，主要有冷熱水開關(guān)、賬戶余額顯示、取水碼的設(shè)置等功能。

圖7 APP界面

2.7 進(jìn)水閥門

凈水箱和儲(chǔ)水箱之間通過一個(gè)進(jìn)水閥門連接，單片機(jī)通過PWM波控制舵機(jī)改變閥門的開關(guān)狀態(tài)，通過壓力傳感器檢測水箱重量，獲取儲(chǔ)水箱剩余水量情況，當(dāng)儲(chǔ)水箱水量不足時(shí)，閥門打開。同時(shí)使用舵機(jī)控制閥門可以合理控制閥門打開的大小，而閥門打開的大小可以控制水流的速度，過快的流速不利于凈水箱凈水。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

BL604的程序設(shè)計(jì)是基于博流公司提供的庫函數(shù)，在Linux環(huán)境下進(jìn)行編譯并生成下載文件，通過博流公司提供的工具鏈進(jìn)行程序下載。系統(tǒng)軟件部分主要分為三部分：參數(shù)測量、管理員模式和用戶取水。參數(shù)測量每隔1秒測量1次，根據(jù)測量的參數(shù)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，其流程圖如圖8所示。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后，首先進(jìn)行一次氣壓測量以調(diào)整加熱停止的閾值。之后每過1秒分別測量1次水溫和水量情況，并根據(jù)測量情況改變加熱器和閥門的工作狀態(tài)。

圖8 參數(shù)測量流程圖

管理員模式需要密碼進(jìn)入，設(shè)置的密碼存放在單片機(jī)的ROM里，同時(shí)會(huì)發(fā)送至云平臺(tái)存儲(chǔ)以防管理員遺忘密碼。管理員模式下可將設(shè)備設(shè)置為免費(fèi)模式和收費(fèi)模式、可以通過云平臺(tái)在LCD屏上投放廣告。用戶取水流程如圖9所示，取水時(shí)首先要登錄APP并連接網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置取水碼，該取水碼會(huì)通過云平臺(tái)同步發(fā)送到飲水機(jī)以供校驗(yàn)。用戶在LCD屏幕上輸入取水碼以激活飲水機(jī)，點(diǎn)擊冷水或熱水的開關(guān)按鈕即可開始取水。在取水過程中，若用戶20 s沒有操作將自動(dòng)結(jié)束本次取水。取水完畢后設(shè)備將向云平臺(tái)上報(bào)日志，如果是收費(fèi)模式將根據(jù)取水量扣除用戶的賬戶余額。

圖9 取水流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于國產(chǎn)單片機(jī)BL604的共享智能飲水機(jī)，圖10為控制電路部分實(shí)物圖，經(jīng)過測試該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有溫度測量、氣壓測量、自動(dòng)補(bǔ)水等功能，通過單片機(jī)內(nèi)置的WIFI模塊將設(shè)備連接至云平臺(tái)，云平臺(tái)使得設(shè)備更加智能化，用戶可以通過手機(jī)APP很方便地進(jìn)行取水，管理者也可以在云控制臺(tái)查看用戶使用情況，加強(qiáng)了管理者與用戶之間的及時(shí)聯(lián)系，適合在公共場所進(jìn)行推廣使用。

圖10 實(shí)物圖