基于用户饮水习惯的智能饮水机设计

2017-04-12张焕立

环球市场 2017年5期

关键词：饮水机水箱电能

张焕立冯青

吉林农业科技学院

基于用户饮水习惯的智能饮水机设计

张焕立冯青

吉林农业科技学院

针对办公室和家庭饮水机存在的电能浪费、千滚水等问题，研制了一种能够记录用户饮水习惯的智能饮水机。本文首先对传统饮水机的工作原理进行了分析，提出就一种基于用户饮水习惯的智能节能饮水机设计方案，根据固定用户的饮水时间相对稳定的特点，减少饮水机加热次数实现节能的目标。

机器学习、饮水机、节能

随着人们物质生活水平的提高，人们对饮用水也提出了较高的要求。伴随着桶装水的热销，饮水机也随之得到了广泛的普及。传统饮水机温度控制方法是采用当温度上升到设定值后，停止加热，水箱里的水缓慢散热，当温度低于某一值时，重新加热到设定温度。水箱内的水经反复加热，俗称“千滚水”。就目前市场上的销售饮水机而言，由于自身设计的缺陷或者疏于管理等原因，饮水机日夜待机工作及反复加热造成了巨大的电能浪费。而且反复加热极易在饮水机内部产生水垢，危害人体的健康[1]。有研究表明人们在饮水时间上通常具有规律性，如清早起床一杯水；开始工作前一杯水等饮水习惯[2]。本文即根据此项生活习惯，设计一款能够根据用户饮水习惯智能加热制冷的饮水机，从而有效的解决普通饮水机存在的以上问题。

1 智能饮水机的系统结构设计

本设计控制系统由温度控制模块、显示模块、时钟日历模块、数据存储模块、电源模块及核心控制器等模块组成。核心控制器通过采集用户用水时间及用水种类，对用户饮水情况历史数据的分析，实时显示饮水机工作状态，并在适当的时间段保证水温在设定值，其他时间段为低功耗运行模式，以达到节省电能的目的。其系统组成框图如图1所示。

图1 饮水机智能控制系统结构框图

由图1可知，控制系统由6个模块组成，对各模块功能设计如下:

1.1 显示模块

系统采用一块1602液晶屏显示饮水机工作状态，包括热水温度、冷水温度、当前时间日期及工作模式。

1.2 日历时钟模块

日历时钟模块采用美国DALLAS公司生产的DS12C887时钟芯片，它将晶振电路、写保护电路、可充电锂电池等一起封装在一个24引脚的双列直插式芯片内，是一个完整的子系统。可保证饮水机在断电的情况下时钟依然准确。

1.3 数据存储模块

数据存储模块选用IIC总线的EEPROM存储器，考虑到主要存储内容为时间和星期，每次取水信息可占用3个字节的存储空间，设每天取水小于300次，则每天数据大约占用1k字节数据。考虑到现在以周作为工作休息周期，在最少存储2周数据的情况下，存储器只要选择大于14k字节的存储器即可。

1.4 核心控制器

通过对系统运算量、成本、稳定性等方面考虑，系统核心控制器选择STC公司的12C5A60S2单片机，该单片机具有单指令周期，丰富的片内外设及低功耗设计。

1.5 温度控制模块

饮水机通常具有冷水和热水两个出水口，其中冷水多使用半导体制冷方式；热水采用电阻式加热棒获取；鉴于中国人较习惯饮用热水，饮水机最大的电能消耗就在热水的获取和保存上，采用保温水箱是一种节约电能的好方法。

1.6 电源模块

电源模块直接选用模块化的开关电源模组构成，具有体积小，重量轻，成本低、维护方便等特点。

2 饮水机的软件功能设计

由于固定用户饮水时间具有相对稳定的特点，经过一段时间的数据采集，使饮水机能够获得用户作息时间、饮水习惯等数据，饮水机自动切换工作模式以便实现节能的目的。软件设计分为三个模块：初始化模块、学习模块、状态控制模块。

2.1 初始化模块

智能饮水机初次开机后，会先将水箱加热到设定温度上限，取得首次升温时间t1，后获取水箱自然冷却到设定温度下限的时间，记为自然冷却时间t2。

2.2 学习模块

系统记录每次用户取水的时间，以24小时作为一个采集小周期，以7天作为一个大周期。将每个星期的同一天，如一个月的每个星期一数据选出，进行叠加，根据t2时间长度做滑窗运算，如两次取水时间小于t2，则认为是此时间段为用户活跃期。如两次取水时间大于t2，则判定次时间段为用户随机期。

2.3 状态控制模块

系统扫描存储器中活跃期的时间起始点，缩短t1时长进入工作状态，以便当用户到达时水温已经恒定。当扫描到进入随机期时则进入节能状态，系统停止加热或制冷。

3 实验情况

设计选用美的M930型冷热家用饮水机进行改装，同时提供对比数据。分别在自己家里(3人)和办公室(10人)使用，饮水机的功率为500w，实验时长为1个月。使用一块单项电表作为消耗电能的计量装置。实验得到的耗电数据如下表1所示。

表1 改装前后饮水机耗电数据情况对比

对比发现办公室环境节能超40%，家庭环境节能超70%。办公室由于人员较杂，饮水情况相对较为随机。考虑到现今社会加班的普遍情况，饮水机能够根据用户真实的使用时间控制加热，取得一定的节能效果。在家庭环境下由于起居时间较为稳定，节能效果十分显著。当突发情况发生时水温不满足设定值是机器最大的问题，可以通过加大温度控制模块的功率或减小水箱容积的方法来减小用户等待时间。