李長(zhǎng)軍，李明洋，郝在盛，苑得鑫

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

0 引 言

水是生命之源，科學(xué)飲水對(duì)于人體健康十分重要。然而，隨著生活節(jié)奏的加快，很多職場(chǎng)工作人員和學(xué)生每天的飲水量不足，甚至有20%的人白天幾乎不喝水，大眾飲水健康情況不容樂(lè)觀(guān)[1]。培養(yǎng)社會(huì)大眾科學(xué)飲水習(xí)慣，對(duì)于提升公眾整體健康水平具有重要意義。同時(shí)，此舉也是“倡導(dǎo)自我健康管理，對(duì)生命全過(guò)程全面呵護(hù)”的大健康理念的具體體現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)了一套智能飲水提醒系統(tǒng)，通過(guò)用戶(hù)飲水信息的采集、傳輸、分析處理及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、智能的飲水提醒，旨在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到大健康領(lǐng)域[2-5]，利用現(xiàn)代技術(shù)手段提升公眾健康意識(shí)，倡導(dǎo)健康生活習(xí)慣，引領(lǐng)健康新風(fēng)尚。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能飲水提醒系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的軟硬件綜合系統(tǒng)，包括設(shè)備終端、服務(wù)器端和用戶(hù)終端，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)備終端指經(jīng)過(guò)改造的飲水機(jī)，是用戶(hù)最終獲得飲水服務(wù)的裝置。在設(shè)備終端上主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)身份識(shí)別及飲水信息采集等功能。用戶(hù)在獲取飲水服務(wù)之前，首先應(yīng)通過(guò)指紋識(shí)別驗(yàn)證身份，在使用飲水機(jī)接水時(shí)，設(shè)備終端通過(guò)各種傳感器記錄水量、水溫、水質(zhì)等飲水參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器端。

服務(wù)器端能夠接收到從不同設(shè)備終端發(fā)來(lái)的用戶(hù)飲水?dāng)?shù)據(jù)，基于用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存和調(diào)用各類(lèi)飲水?dāng)?shù)據(jù)。

用戶(hù)終端即在手機(jī)、手環(huán)、平板或其他智能終端上的客戶(hù)端應(yīng)用程序。用戶(hù)終端能夠讀取、下載服務(wù)器端的用戶(hù)個(gè)人飲水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)用戶(hù)的飲水習(xí)慣、飲水健康指數(shù)進(jìn)行分析和展示。同時(shí)，以健康飲水規(guī)律為依據(jù)，設(shè)計(jì)飲水提醒的邏輯，若用戶(hù)飲水不足，則通過(guò)用戶(hù)終端向用戶(hù)發(fā)送提醒信息。

2 設(shè)備終端的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

智能飲水提醒系統(tǒng)的設(shè)備終端是在飲水機(jī)外形的基礎(chǔ)上，加裝控制系統(tǒng)硬件而構(gòu)成的?？刂葡到y(tǒng)硬件包括主控模塊、身份識(shí)別模塊、飲水信息采集模塊以及通信模塊。

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)的主控芯片選用STM32F407單片機(jī)。STM32單片機(jī)是基于ARM的32位通用加強(qiáng)型微控制器，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和追蹤，其內(nèi)核為32位高性能ARM Cortex-M4處理器，配備強(qiáng)大的時(shí)鐘系統(tǒng)（4～26 MHz的外部高速晶振、內(nèi)部16 MHz的高速RC振蕩器等），其時(shí)鐘響應(yīng)頻率高達(dá)168 MHz，是目前市場(chǎng)上主流的控制芯片之一。本設(shè)計(jì)選用的STM32F407模塊通用性好，便于靈活開(kāi)發(fā)，具有突出的內(nèi)核以及出色的外部設(shè)計(jì)[6-8]，便于嵌入到飲水機(jī)結(jié)構(gòu)中，且配備4.3英寸顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)展示飲水?dāng)?shù)據(jù)，使用戶(hù)獲得更加直觀(guān)的交互體驗(yàn)。

2.2 身份識(shí)別模塊

身份識(shí)別采用指紋識(shí)別方式，選用ATK-301模塊。該模塊是ALIENTEK推出的一款具有高性能的電容式半導(dǎo)體指紋識(shí)別模塊。模塊采用了FPC公司出品的按壓式電容指紋傳感器，該傳感器具有穩(wěn)定、功耗低、圖像一致性效果好、耐靜電等級(jí)高的特點(diǎn)。模塊搭配GigaDevice生產(chǎn)的指紋控制專(zhuān)用芯片，針對(duì)指紋傳感器做出了大量圖像優(yōu)化、速度優(yōu)化、算法優(yōu)化，使模塊具有識(shí)別速度快、通過(guò)率高等特點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)指紋模塊，該模塊具有識(shí)別速度更快、體積更小、功耗更低等特點(diǎn)。

2.3 飲水信息采集模塊

飲水信息采集模塊是系統(tǒng)中應(yīng)用最頻繁且最容易出現(xiàn)故障的部分。本設(shè)計(jì)采用YF-S201流量傳感器，該傳感器基于霍爾原理設(shè)計(jì)，具有計(jì)量準(zhǔn)確、故障率低等特點(diǎn)。當(dāng)水流沖擊傳感器內(nèi)葉輪時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁鋼，進(jìn)而觸發(fā)霍爾傳感器向單片機(jī)發(fā)送一組脈沖信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)用戶(hù)接水時(shí)段內(nèi)接收到的脈沖信號(hào)數(shù)量計(jì)算得出接水流量，實(shí)現(xiàn)飲水量的采集。

2.4 通信模塊

設(shè)備終端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信是智能飲水提醒系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)的通信模塊采用ALIENTEK推出的高性能WiFi轉(zhuǎn)串口模塊ATK-ESP8266，由于其簡(jiǎn)單易用，且內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需簡(jiǎn)單的配置，便可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，是目前IoT中使用最廣泛的WiFi模塊之一。在滿(mǎn)足通信功能的前提下，使用該模塊能夠減輕總體設(shè)計(jì)的體量和臃腫程度，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和輕量化。ATKESP8266作為STM32F407與服務(wù)器端連接的橋梁，將設(shè)備終端收集到的用戶(hù)飲水信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

3 服務(wù)器端的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端是連接設(shè)備終端與用戶(hù)終端的紐帶。設(shè)備終端將用戶(hù)飲水?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中按照一定格式存儲(chǔ)；用戶(hù)終端需要調(diào)取信息時(shí)，首先向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器端在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取特定信息并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到用戶(hù)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

本系統(tǒng)的服務(wù)器端采用PHP開(kāi)發(fā)。PHP是一種通用開(kāi)源腳本語(yǔ)言，跨平臺(tái)性強(qiáng)。與其他編程語(yǔ)言相比，PHP將程序嵌入到HTML文檔中執(zhí)行，執(zhí)行效率更高，適用于業(yè)務(wù)邏輯簡(jiǎn)單、展現(xiàn)要求較高的系統(tǒng)需求[9]。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，能夠通過(guò)Web對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輕松、安全的訪(fǎng)問(wèn)，其具有強(qiáng)大、靈活、基于Web和安全的應(yīng)用程序管理。

4 用戶(hù)終端的設(shè)計(jì)

用戶(hù)終端是用戶(hù)查詢(xún)飲水信息及獲得飲水提醒服務(wù)的最終載體。用戶(hù)終端與服務(wù)器端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)建立即時(shí)聯(lián)系，獲取特定信息，并能實(shí)現(xiàn)飲水?dāng)?shù)據(jù)的分析與呈現(xiàn)。

中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)居民膳食指南》指出，成年男性每天推薦1 700 mL以上的飲水，女性則為1 500 mL以上，同時(shí)，推薦飲水量與用戶(hù)的年齡、身高、體重、運(yùn)動(dòng)情況、飲食情況、生活規(guī)律以及環(huán)境溫度相關(guān)，本系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)個(gè)人基本信息，計(jì)算出該用戶(hù)當(dāng)日應(yīng)飲水總量[10]。系統(tǒng)中設(shè)定了6個(gè)預(yù)設(shè)提醒時(shí)間，分別為起床后、上午、中午、下午、傍晚和晚間，根據(jù)用戶(hù)某一時(shí)間段內(nèi)飲水的實(shí)際情況，判斷用戶(hù)是否達(dá)到健康飲水條件，若未達(dá)到，則在相應(yīng)提醒時(shí)間向用戶(hù)發(fā)送提醒信息。系統(tǒng)設(shè)定的提醒時(shí)間及提醒規(guī)則見(jiàn)表1所列。

表1 飲水提醒時(shí)間及提醒規(guī)則設(shè)計(jì)

除飲水提醒功能外，用戶(hù)終端還能實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息管理、新用戶(hù)注冊(cè)、飲水信息查詢(xún)、飲水健康報(bào)告表等功能。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，還可進(jìn)一步擴(kuò)展用戶(hù)終端的功能，如推送健康咨詢(xún)、建立虛擬社區(qū)、建立打卡獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制等，極大豐富系統(tǒng)的健康內(nèi)涵，逐步形成完整的兼具健康理念和趣味性的科技產(chǎn)品及生態(tài)鏈[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

為培養(yǎng)大眾科學(xué)飲水的習(xí)慣，提升公眾整體健康水平，本文基于STM32F407嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能飲水提醒系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含設(shè)備終端、服務(wù)器端和用戶(hù)終端，能夠?qū)τ脩?hù)飲水情況進(jìn)行記錄和分析，并提供科學(xué)的飲水提醒。經(jīng)過(guò)樣機(jī)運(yùn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，操作便捷，易于擴(kuò)展，對(duì)于培養(yǎng)公眾健康飲水習(xí)慣起到了積極的推動(dòng)作用，具有廣闊的推廣前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。