基于物联网技术的智能饮水提醒系统设计及实现

李长军，李明洋，郝在盛，苑得鑫

（中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

0 引 言

水是生命之源，科学饮水对于人体健康十分重要。然而，随着生活节奏的加快，很多职场工作人员和学生每天的饮水量不足，甚至有20%的人白天几乎不喝水，大众饮水健康情况不容乐观[1]。培养社会大众科学饮水习惯，对于提升公众整体健康水平具有重要意义。同时，此举也是“倡导自我健康管理，对生命全过程全面呵护”的大健康理念的具体体现。

本文设计了一套智能饮水提醒系统，通过用户饮水信息的采集、传输、分析处理及应用，实现科学、智能的饮水提醒，旨在将物联网技术运用到大健康领域[2-5]，利用现代技术手段提升公众健康意识，倡导健康生活习惯，引领健康新风尚。

1 系统总体设计

智能饮水提醒系统是一个运用物联网技术、传感器技术、通信技术、计算机技术而开发的软硬件综合系统，包括设备终端、服务器端和用户终端，系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

设备终端指经过改造的饮水机，是用户最终获得饮水服务的装置。在设备终端上主要实现用户身份识别及饮水信息采集等功能。用户在获取饮水服务之前，首先应通过指纹识别验证身份，在使用饮水机接水时，设备终端通过各种传感器记录水量、水温、水质等饮水参数，并通过数据通信模块实时传输至服务器端。

服务器端能够接收到从不同设备终端发来的用户饮水数据，基于用户信息数据库，储存和调用各类饮水数据。

用户终端即在手机、手环、平板或其他智能终端上的客户端应用程序。用户终端能够读取、下载服务器端的用户个人饮水数据，对用户的饮水习惯、饮水健康指数进行分析和展示。同时，以健康饮水规律为依据，设计饮水提醒的逻辑，若用户饮水不足，则通过用户终端向用户发送提醒信息。

2 设备终端的设计及实现

智能饮水提醒系统的设备终端是在饮水机外形的基础上，加装控制系统硬件而构成的。控制系统硬件包括主控模块、身份识别模块、饮水信息采集模块以及通信模块。

2.1 主控模块

本设计的主控芯片选用STM32F407单片机。STM32单片机是基于ARM的32位通用加强型微控制器，能够进行实时仿真和追踪，其内核为32位高性能ARM Cortex-M4处理器，配备强大的时钟系统（4～26 MHz的外部高速晶振、内部16 MHz的高速RC振荡器等），其时钟响应频率高达168 MHz，是目前市场上主流的控制芯片之一。本设计选用的STM32F407模块通用性好，便于灵活开发，具有突出的内核以及出色的外部设计[6-8]，便于嵌入到饮水机结构中，且配备4.3英寸显示屏，能够实时展示饮水数据，使用户获得更加直观的交互体验。

2.2 身份识别模块

身份识别采用指纹识别方式，选用ATK-301模块。该模块是ALIENTEK推出的一款具有高性能的电容式半导体指纹识别模块。模块采用了FPC公司出品的按压式电容指纹传感器，该传感器具有稳定、功耗低、图像一致性效果好、耐静电等级高的特点。模块搭配GigaDevice生产的指纹控制专用芯片，针对指纹传感器做出了大量图像优化、速度优化、算法优化，使模块具有识别速度快、通过率高等特点。相对传统光学指纹模块，该模块具有识别速度更快、体积更小、功耗更低等特点。

2.3 饮水信息采集模块

饮水信息采集模块是系统中应用最频繁且最容易出现故障的部分。本设计采用YF-S201流量传感器，该传感器基于霍尔原理设计，具有计量准确、故障率低等特点。当水流冲击传感器内叶轮时，叶轮旋转带动磁钢，进而触发霍尔传感器向单片机发送一组脉冲信号，单片机根据用户接水时段内接收到的脉冲信号数量计算得出接水流量，实现饮水量的采集。

2.4 通信模块

设备终端与服务器端的数据通信是智能饮水提醒系统的关键环节。本设计的通信模块采用ALIENTEK推出的高性能WiFi转串口模块ATK-ESP8266，由于其简单易用，且内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只需简单的配置，便可通过网络传输数据，是目前IoT中使用最广泛的WiFi模块之一。在满足通信功能的前提下，使用该模块能够减轻总体设计的体量和臃肿程度，使系统更加简洁和轻量化。ATKESP8266作为STM32F407与服务器端连接的桥梁，将设备终端收集到的用户饮水信息实时传输到服务器端，实现数据同步。

3 服务器端的设计及实现

服务器端是连接设备终端与用户终端的纽带。设备终端将用户饮水数据通过互联网实时传输到服务器端，并在数据库中按照一定格式存储；用户终端需要调取信息时，首先向服务器端发送请求，服务器端在数据库中调取特定信息并通过互联网发送到用户终端，实现数据传递。

本系统的服务器端采用PHP开发。PHP是一种通用开源脚本语言，跨平台性强。与其他编程语言相比，PHP将程序嵌入到HTML文档中执行，执行效率更高，适用于业务逻辑简单、展现要求较高的系统需求[9]。

数据库采用SQL Server，能够通过Web对数据进行轻松、安全的访问，其具有强大、灵活、基于Web和安全的应用程序管理。

4 用户终端的设计

用户终端是用户查询饮水信息及获得饮水提醒服务的最终载体。用户终端与服务器端通过互联网建立即时联系，获取特定信息，并能实现饮水数据的分析与呈现。

中国营养学会发布的《中国居民膳食指南》指出，成年男性每天推荐1 700 mL以上的饮水，女性则为1 500 mL以上，同时，推荐饮水量与用户的年龄、身高、体重、运动情况、饮食情况、生活规律以及环境温度相关，本系统根据用户个人基本信息，计算出该用户当日应饮水总量[10]。系统中设定了6个预设提醒时间，分别为起床后、上午、中午、下午、傍晚和晚间，根据用户某一时间段内饮水的实际情况，判断用户是否达到健康饮水条件，若未达到，则在相应提醒时间向用户发送提醒信息。系统设定的提醒时间及提醒规则见表1所列。

表1 饮水提醒时间及提醒规则设计

除饮水提醒功能外，用户终端还能实现个人信息管理、新用户注册、饮水信息查询、饮水健康报告表等功能。在本系统的基础上，利用计算机软件技术，还可进一步扩展用户终端的功能，如推送健康咨询、建立虚拟社区、建立打卡奖励机制等，极大丰富系统的健康内涵，逐步形成完整的兼具健康理念和趣味性的科技产品及生态链[10]。

5 结 语

为培养大众科学饮水的习惯，提升公众整体健康水平，本文基于STM32F407嵌入式技术、物联网技术及计算机技术设计了智能饮水提醒系统，该系统包含设备终端、服务器端和用户终端，能够对用户饮水情况进行记录和分析，并提供科学的饮水提醒。经过样机运行测试表明，该系统功能达到了设计要求，操作便捷，易于扩展，对于培养公众健康饮水习惯起到了积极的推动作用，具有广阔的推广前景和巨大的应用价值。