基于无线射频识别技术和涡轮流量计的家庭健康管理饮料机——论文

基于无线射频识别技术和涡轮流量计的家庭健康管理饮料机基于无线射频识别技术和涡轮流量计的家庭健康管理饮料机摘要：孩子们总是对各种碳酸饮料毫无抵抗力，比如可乐，但是常喝碳酸饮料将会对孩子的身体带来许多危害。研究表明，过量摄入碳酸饮料会大大提高患肥胖症的几率，同时会降低日常必需的营养素的摄入量，且会导致人体骨质密度降低。而且在我们的生活中，饮水机的高度低于人体身高，总是需要人们弯腰看着杯子里的饮料是否溢出，容易发生被热饮烫伤或者饮料溢出这种事情。而且研究表明，经常喝过热的水会显著提高罹患食道癌的几率。那么如何控制在满足个人喜好的情况下，保证家庭成员摄入诸如碳酸饮料或者咖啡的量不会对人体产生危害呢？在我们的杯子里的饮料快要溢出的时候自动将饮水机出水口关闭，又或者可以控制我们取用的饮料的温度在适饮温度范围内呢？针对上述基于人体健康和生活便利的需求，本文设计了一款基于无线射频识别技术和涡轮流量计的家庭健康管理饮料机。此饮水机通过无线射频识别技术识别用户的杯子上的无线标签，将该用户的无线标签在手机APP上注册后即可对该用户的杯子每次取水量、引用温度和各种饮料日饮用量进行初始化设置，而且允许客户在APP上对个人设置进行修改，修改后的信息APP会定时通过蓝牙模块和饮料机的蓝牙模块进行数据通信，更新饮料机端的用户信息设置。通过涡轮流量计，该饮水机可以对每次取用的饮料流量进行测量，当出液量达到杯子容量的70%时停止出液，同时会记住该用户当天的饮用量，当超出日饮用总量时，不再出液。该饮料机可以主要面对家庭用户，可以用于控制家里青少年碳酸饮料的摄入量和家里“夜猫子”咖啡的摄入量，以及针对一些糖尿病患者，也可以对他们含糖饮料的摄入量进行监测和控制，为家庭成员的身心健康保驾护航，同时这些用户的饮料摄入量数据可以用于对家庭成员的健康状况进行监测，从而起到真正的健康管理的作用。关键词：无线射频识别 家庭定制 流量测量 蓝牙通信 APP设计一、课题背景研究表明，每天习惯喝汽水而不喝鲜奶的年轻人，其骨质密度较一般同龄人低3%至5%1。国外流行病学调查显示，牙侵蚀症的发病率为6%65.5%，我国青少年和大学生人群的发病率为27.3%45.8%，长期、频繁饮用可乐等碳酸是发生牙侵蚀症的危险因素，可使患牙侵蚀症的风险增加数倍2。近年来，我国饮用咖啡的人数日趋增加，但是医学界有关人士认为，不易多饮咖啡。美国波士顿大学公共卫生学院的医学家们通过对858例在4569岁首次患心肌梗塞的妇女和858例从未患过心肌梗塞的妇女进行了为期四年的研究，研究表明，每日饮用5杯或更多的咖啡，可使妇女患心肌梗塞的危险增加70%，而且危险随着饮咖啡的数量增加而增加3。而我们在生活中很多人知道上述行为的危害，甚至自己下定决心要少喝碳酸饮料和咖啡，却常常不自知的又喝了过量的碳酸饮料或者咖啡等不宜过多饮用的饮料。特别是一些糖尿病病人，可能摄入过多的含糖分高的饮料对他们的身心健康会有很大的危害。同时，在我们在使用饮水机或者一些饮料机的时候，经常会发生饮料因取用者的一不小心或者被事情打断就溢出的意外，如果是热饮的话，还特别容易烫伤。特别地，当家里的老人视力不好或者腿脚不方便的话，接水需要弯腰，这对老人是一个不小的挑战。为了解决上面提到的这些我们生活中遇到的难题，我们广泛地搜索信息，查阅各大数据库，在一些购物平台上寻找相关的产品，旨在寻找一个能够解决上述问题的产品，从而便利人们的生活。二、研究现状饮水机行业伴随着桶装水行业的发展而壮大。国务院发展研究中心市场经济研究所、信息产业部经济与经济运行司、中国家用电器协会联合主办的“200年中国城市家电消费市场调研”结果显示：在绿色健康消费观念主导下，我国饮水机行业发展迅速，市场需求旺盛。饮水机目前的家庭拥有率并不高，市场会体现旺盛的需求，预计有26.9%的城市家庭表示仅在未来一年里就一定或可能会购买饮水机，由此可得，在未来一年里中国城市家庭饮水机潜在需求将达到670万台。此外还有商业需求。据市场报预测：“目前饮水机市场的拥有量约在1200万台左右，其中，每年有20%需要更换，即每年需要更新换代的饮水机在240万台左右，由此可见，饮水机产业在我国具有非常广阔的发展前景。”现有产品中主要有直冷式饮水机、智能水杯、电控垂直探测冷热水饮水机和感应式盲人取水量杯等产品，接下来的内容将对这些产品进行简单的介绍。直冷式饮水机的原理为冷热分装。常温水从水箱进入，分为两路，一路进入冷胆，出冷水；另一路通过热罐加热，出热水。这种饮水机也就是我们生活中最广泛应用的饮水机。现市场上存在的智能水杯，比如桔子智能水杯，已经做到可以控制水温和显示水量，但是它们都存在明显的缺陷，即需要额外的热水源，而且只适用于单个用户，必须用户人手一个智能水杯。除此之外，电控垂直探测冷热水饮水机的原理是通过温度差控制阀门流速，这个产品带有两个热交换器，每个下面各有一个阀门。中间的一个温度感应装置通过感测两个热交换器之间的温度差把温度差转换成电压来控制阀门的开关与流速，以此来调节冷热水的流量4。从上述搜索的主要结果来看，基本上没有一个产品很好的解决了我们提到的所有问题。基于此，本文设计了一款基于无线射频识别技术和涡轮流量计的家庭健康管理饮料机，它采用现在比较流行的控制器Arduino UNO作为饮料机的控制器，负责整个系统的控制逻辑的执行和调度，采用无线射频识别模块RDM6300和配套的电子标签作为用户识别的核心，只需将电子标签粘在杯子的底部即可，电子标签的面积可以加工至小于2cm2，厚度小于2mm，同时采用涡轮流量计对用户单次取用饮料的流量进行测量，同时将数据通过蓝牙模块发送至手机APP端，在手机端可以看到该用户当日所有的饮料饮用数据。同时，可以通过在手机APP端注册新用户来加入新的用户，在新建一个用户时，需要对该用户的各种饮料的日摄入量、杯子容量、以及温度进行初始化设置，当然也可以在后续的设置中修改。三、系统硬件和软件设计方案为了完成上述的设计方案，本文从硬件和软件两个方面进行了详细的方案论证和选择，最后选取了合理的解决方案。接下来将具体介绍该设计方案的硬件资源和软件设计的流程和逻辑。3.1 硬件部分硬件部分的硬件设计电路图见图1，主要包括主控制器Arduino UNO、无线射频识别模块RDM5300、涡轮流量计DN32、温度传感器DS18B20、蓝牙数据传输模块HC06等几个功能模块，下面将具体介绍。图1、 硬件电路原理图3.1.1 Arduino UNO控制器在主控制器选择上，我们选用了简单好用且上手简单的Arduino UNO，同时它的资源完美支持我们的设计方案。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，实物图见图2。UNO的处理器核心ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。第三版比起前两版在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。同时Arduino UNO的供电电压为5V，属于弱电，对人体无伤害，同时它的使用广泛，支持Arduino UNO的传感器种类繁多。图2、 Arduino Uno实物图3.1.2、 无线射频识别模块RDM6300模块本设计采用无线射频识别模块RDM6300来识别不同用户的杯子上的电子标签，以提取对应的偏好设置和杯子容量等信息，以实现家庭用户的饮料饮用要求多样化和健康的平衡，实物图见图3。无线射频识别英文全称为Radio Frequency Identification，简称RFID，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。通过RDM6300模块可以直接读取125KHz的EM4100 RFID电子标签，电子标签实物图见图4，并将电子标签的相关信息通过串口直接输出，外接一个单片机可以非常方便地使用串口来接收到读到的RFID电子标签的信息，使用RDM6300模块来读取RFID电子标签信息非常方便，模块配套了相关的天线，将天线连接到模块上，然后将模块的输出串口引脚连接到单片机的串口上，并供上5V电源，这时只要将RFID电子标签靠近天线，模块串口就会输出读取到的电子标签ID等信息。图3、RDM6300模块图4、 RFID电子标签3.1.3 涡轮流量计DN32本设计采用涡轮流量计测量出水口的流量，实物图见图5，主控制器通过读取涡轮流量计的信号来测定家庭用户单次倒水的量，并根据用户设置的杯子容量进行逻辑控制后，控制是否出液和出液量。涡轮流量计的工作原理是先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。图中感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时，磁路的磁阻发生变化，从而产生感应信号。当被测流体流过涡轮流量计传感器时，在流体的作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，即电脉冲信号，此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。图5、 DN32涡轮流量计3.1.4 温度传感器DS18B20本设计采用DS18B20数字温度传感器测定水温，用于测量饮料的温度，实物图见图6。DS18B20是常用的温度传感器，电路图见图7，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点。其工作原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。DS18B20的测温范围为55+125，完全满足我们的需求，其工作电压为3.05.5V/DC，不需要另外的供电电源，PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线。图6、DS18B20温度传感器实物图图7、DS18B20温度传感器电路图3.1.5 蓝牙模块HC-06本设计饮料机和手机APP进行数据通信采用的工具是HC-06蓝牙模块，型号BC417，实物图见图8。现在几乎所有的智能机都集成了蓝牙通信功能，所以手机APP端不需要额外的硬件支持。蓝牙模块HC-06用于实现手机与Arduino之间的数据传输，将家庭用户的个人偏好设置数据传输到饮料机的Arduino控制器端，同时将该用户的饮料摄入数据回传至手机APP端进行进一步的处理。蓝牙模块HC-06是目前市面上功能为强大的串口蓝牙模块，其模块采用Blue2.0、支持主从模式、支持软/硬件设置主从模式、支持多达29条AT命令及9条自动反馈指令、支持波特率1200到1382400。同时HC-06还具有低功耗、信号强、性能稳定，通讯距离远、低成本、使用灵活、尺寸超小等优点。图8、 HC-06 蓝牙模块3.1.6、水泵本设计采用水泵作为水流的流动的动力，水泵实物图见图9，用于从冷热水罐以及水缸中抽水。水泵的工作电压范围为6V-12V，不需要额外的供电电源，工作功率在0.5W-5W之间，而且水泵做了相应的防漏电处理，安全系数高。图9、水泵3.2 软件部分软件方面，在RFID模块读取到一个数值，即感应到杯子内嵌的RFID电子标签，开始从冷水罐往水缸抽冷水，持续一段预设的时间。等到时间过后，开始抽热水，期间每隔0.1秒温度传感器测定一次缸内温度。若温度已经大于或等于预设温度即停止抽水。等待一秒，待冷热水均匀混合后水泵开始从水缸中抽水，从出水口倒入杯子内。程序还附带一个中断进程，即只要按钮被按下，程序就会跳到下一个阶段。3.2.1 Arduino端3.2.1.1 总工作流程 图10、 总工作流程图这个饮料机使用RFID模块识别用户，工作流程见图10。在第一次使用之前，用户先用手机APP通过蓝牙模块注册一个帐号，账号名称为RFID电子标签编号，每个帐号可以随时设置对应的喜好温度、单次出水量和每天的限制出水量。每次倒水时用户只需将底部贴有RFID电子标签的杯子放置在饮水机RFID感应器处主板即可确定用户对应的RFID及喜好温度等数值并开始倒水。此时冷水泵会从饮水机后面的冷水罐中先抽5秒水钟到一个封闭的水缸中然后停止。热水泵随即开始工作，从一个在饮水机后侧的热水罐中往水缸中抽热水，使先前抽入的冷水和热水混合，导致温度升高。在热水泵工作的时候，水缸中的温度感应器会每隔0.1秒检测一次温度，只要温度大于等于RFID帐号对应的喜好温度热水泵并会停止抽水。此时水缸中温度等于用户对应的预设喜好温度，饮水机开始用泵把水缸中的水抽到位于RFID感应器上方的出水口以开始倒水。由于杯子被放在RFID感应器上，倒出的水会直接流入杯子中。此时流量计开始从零累计叠加。如果累计的数值大于等于用户对应的单次出水量，水泵便会停止抽水，防止水溢出。如果途中紧急按钮被按下，水泵也会停止运转。水缸中剩下的水将由一个最后的回流水泵通过超时运转完全抽回冷水罐，防止有水残留影响下次操作。3.2.1.2 RFID读取图11、RFID模块工作流程图此次RFID的读取较为复杂，流程图见图11，可分为以下几个步骤：1. 寻找开始符。当读到开始符“2”的时候开始记录RFID。2. 创造字符串。创造一个名为“RFIDnum”的字符串来记录RFID。3. 叠加字符串。循环RFID.read()然后把读取内容叠加到“RFIDnum”上面去。4. 寻找结束符。当读到结束符“3”的时候停止记录RFID。5. 缓存清零。通过循环RFID.read()来读取所有元件缓存中残留的代码，知道杯子被拿走位置。6. 识别代码。通过顺位搜索将读到的代码与预先设定好的RFID列表中的代码匹配，确定用户编号。3.2.1.3 蓝牙模块工作流程图12、蓝牙模块工作流程图此饮水机的蓝牙模块可以连接手机以传送信息，其工作流程图见图12。此饮水机自带一个协议。手机app会通过蓝牙模块发送一串4位数字，内容为：前两位用户编号，后两位水温，Arduino UNO端收到信息后再转换成用户编号及温度等用户信息，用来改变用户的相关设置数据。3.2.2 APP端软件设计手机APP端的编程基于MIT APP INVENTOR开发，如今手机移动端的应用越来越广泛，人们也正开始习惯在手机移动端上管理自己的生活和工作，那么如果将人们的健康管理，具体到本设计来说就是饮料摄入管理也纳入移动端的话，这样会大大降低人们健康管理的难度和复杂性，故我们基于我们的饮料机设计了一款APP，配合我们的饮料机使用，对家庭用户的饮料摄入量进行管理，并将数据上传到手机APP上，用户可以实时的看到数据，从而可以根据这些数据对自己的健康状况进行管理。图13、APP设计逻辑图手机连接上Arduino端的蓝牙模块后，用户先在APP内选择蓝牙，再输入要设置的RFID用户编号以及偏好的水温、流量。用户点击确认后，APP会自动收集信息并按照协议将其传给Arduino端，具体传输内容为（2位用户编号+两位喜好水温+3位喜好单次流量+3位喜好总流量）。3.3 外观设计本设计的饮料机外形由于处于测试阶段，所以主要以功能为主，采用激光切割技术，切割后的木板采用拼接的方式连接，图纸采用AutoCAD设计，设计图纸见图14。图14、饮料机外壳切割图纸四、设计方案调试与测试为了测试本设计方案的可行性和实际运行情况，我对此饮水机样机进行了以下测试，测试样机实物图见图14、图15。图14、测试样机俯视图图15、测试样机主视图我们选择了五位志愿者，按照操作流程，他们用手机APP连接Arduino UNO的蓝牙模块，然后根据分配到的RFID电子标签的编号注册了5个用户，每个用户分别设置日流量以及单次流量，设置的用户数据见表1。表1、用户数据设置详情水温(C)单次流量(ml)日流量(ml)用户120100500用户225120600用户330150450用户435140700用户5402708105位志愿者按照流程对我们的样机进行了5次测试，识别成功5次，成功率为100%，表1是1号志愿者的实际测试数据，表2是剩余4位志愿者的测试数据，为了防止数据冗余，剩下的4位志愿者每次取用饮料的容量没有列出，只是取了一个中位数。表2、1号志愿者实际操作测试数据次数预设水温(C)单次流量(ml)总流量(ml)实际水温(C)实际单次流量(ml)实际总流量(ml)12010050020.3101.5101.522010050020.2100.3201.832010050019.799.8301.642010050020.099.9401.552010050020.1102.7504.2表3、2、3、4和5号志愿者的实际操作测试数据用户预设水温(C)单次流量(ml)总流量(ml)实际水温(C)实际流量中位数(ml)实际总流量(ml)杯数22512060025.3119.3600.7533015040029.9.152.4452.6343514085035.4140.0703.9554027061039.7270.2815.83从上述测试数据可知，本产品工作正常，每个用户的测试数据和用户预设的数据的误差保持在允许范围内，没有发生出液混乱的现象。各项值的误差均控制在总值的2.5%以内。同时，在测试过程中，我们发现有些志愿者由于不太熟悉操作流程，所以导致了操作比较慢。为了解决这个问题，我们将在后续的工作中对手机APP端加入适当的引导文字，在饮料机这侧，我们