基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測(cè)系統(tǒng)

曾群期，王 毓，黃澤佳，殷惠莉，王衛(wèi)星

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測(cè)系統(tǒng)

曾群期，王 毓，黃澤佳，殷惠莉，王衛(wèi)星

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

設(shè)計(jì)了一種基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)飲水量的實(shí)時(shí)記錄并上傳至云端服務(wù)器以供查詢，同時(shí)根據(jù)人體鹽分流失量，利用內(nèi)置算法計(jì)算出人體的需水量并進(jìn)行飲水提醒。飲水量檢測(cè)模塊通過電容傳感器可智能識(shí)別飲水動(dòng)作，采用壓力傳感器計(jì)算飲水量，并將HX711采樣的數(shù)值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，用OLED屏進(jìn)行顯示。人體鹽分檢測(cè)模塊可供多個(gè)用戶使用，采用RFID進(jìn)行身份識(shí)別，通過TDS傳感器計(jì)算人體鹽分流失，進(jìn)而計(jì)算出人體需水量，并通過云端服務(wù)器發(fā)送至水杯提醒用戶進(jìn)行飲水。在云端服務(wù)器上搭建了與水杯配套使用的網(wǎng)站，開發(fā)語言采用PHP，數(shù)據(jù)庫搭建采用MySQL實(shí)現(xiàn)。

STM32；飲水提醒；飲水檢測(cè)；鹽分檢測(cè) ；RFID識(shí)別

0 引言

隨著智能硬件的高速發(fā)展，市面上出現(xiàn)了一系列智能水杯。但大部分水杯都是根據(jù)固定飲水量對(duì)用戶進(jìn)行飲水提醒，這樣的方式忽視個(gè)體差異。而真正的健康飲水方式是根據(jù)身體需水量，來對(duì)飲水進(jìn)行規(guī)劃。尿液生化分析在世界醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為疾病診斷、疾病預(yù)防和健身普查方面的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在全球享有盛譽(yù)的美國(guó)克利夫蘭診所(Cleveland Clinic)推出過一個(gè)“尿液比色卡”，形象地指導(dǎo)人們根據(jù)尿液顏色來判斷缺水的程度。同樣，尿液中的鹽分濃度也可以作為一個(gè)人體缺水程度的相關(guān)指征。

為了根據(jù)不同人的身體機(jī)能的差異對(duì)用戶進(jìn)行飲水提醒，設(shè)計(jì)了一款基于人體鹽分流失檢測(cè)進(jìn)行飲水提醒的智能水杯。本設(shè)計(jì)通過用戶基礎(chǔ)信息計(jì)算給出建議飲水量，并通過對(duì)人體鹽分流失檢測(cè)來進(jìn)一步校正建議飲水量，實(shí)現(xiàn)智能提醒用戶飲水。其主要以單片機(jī)STM32系列芯片、壓力傳感器、壓敏傳感器等為硬件基礎(chǔ)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的飲水曲線，對(duì)飲水習(xí)慣進(jìn)行評(píng)價(jià)，定量提醒用戶飲水等功能，使用戶養(yǎng)成健康的飲水習(xí)慣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由智能水杯端(以下簡(jiǎn)稱水杯端)及人體鹽分檢測(cè)端(以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)端)組成，智能水杯系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中水杯端的主控芯片為STM32F103C8T6，供電電壓2.0 V～3.6 V,一系列的省電模式保證低功耗的要求。檢測(cè)端的主控芯片為STM32F103ZET6,該芯片的配置十分強(qiáng)，帶有外部總線(FSMC)，可以用來外擴(kuò)SRAM和連接LCD等[2]。壓力傳感器及電容傳感器組成飲水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過布置在杯沿的人體電容識(shí)別傳感器對(duì)飲水狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，通過壓力傳感器對(duì)水的重力進(jìn)行檢測(cè)，并通過HX711芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。OLED顯示屛提供了交互界面，并有利于低功耗的設(shè)計(jì)要求。無線充電模塊使水杯端的充電使用更為便利與安全。

圖1 智能水杯系統(tǒng)框圖

檢測(cè)端由TDS傳感器、RFID識(shí)別模塊及WiFi模塊組成。TDS傳感器量程為2 000 PPM，滿足對(duì)尿液鹽分稀釋后的檢測(cè)。與磁卡、IC卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同,RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽與讀寫器之間無須物理接觸即可完成識(shí)別,因此它可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別,可在更廣泛的場(chǎng)合中應(yīng)用[3]。

水杯端和檢測(cè)端所獲取的數(shù)據(jù)均由ESP8266 WiFi芯片進(jìn)行上傳及下載。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需要極少的外部電路[4]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1喝水量檢測(cè)算法

圖2 喝水量檢測(cè)算法流程圖

水杯端采用電容按鍵與壓力傳感器配合執(zhí)行程序流程以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定喝水量的功能。其程序流程圖如圖2所示。

由電容按鍵的輔助感知，系統(tǒng)可以得到水杯使用前后的水杯內(nèi)水量差異，再通過執(zhí)行相應(yīng)的差值算法將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的喝水量數(shù)據(jù)，在傳感器讀數(shù)與真實(shí)水量間存在一個(gè)比例常數(shù)(weight_con)，該常數(shù)決定了計(jì)數(shù)值與真實(shí)值之間存在的轉(zhuǎn)換比例。具體計(jì)算如式(1)：

(1)

其中weight_sense為傳感器計(jì)數(shù)值，weight_real為真實(shí)水量值，由于weight_con是一個(gè)非線性的常數(shù)，其值大小與測(cè)量范圍相關(guān)，因此通過繪制散點(diǎn)圖來確定其在日常測(cè)量范圍內(nèi)的線性區(qū)間及對(duì)應(yīng)常數(shù)值大小，如圖3所示。

圖3 比例常數(shù)散點(diǎn)圖

經(jīng)計(jì)算后得到，在測(cè)量范圍100～500內(nèi)，比例常數(shù)值波動(dòng)較小，以一個(gè)平均常數(shù)代替，取weight_con值為431。當(dāng)變化值小于或大于該范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的非線性偏差。

2.2 TDS-缺水量測(cè)定算法

檢測(cè)端通過測(cè)定尿液中鹽類離子的深度來間接測(cè)定人體的缺水程度，并據(jù)此確定一個(gè)基礎(chǔ)缺水量并發(fā)送至服務(wù)器進(jìn)行下一步的計(jì)算。

當(dāng)人體內(nèi)鹽分過高時(shí)，人會(huì)感到口干舌燥，嚴(yán)重者會(huì)伴有頭暈、困倦等其他表現(xiàn)，且人對(duì)于機(jī)體缺水的感知并不是一個(gè)一成不變的過程：當(dāng)人體處于輕度缺水時(shí)，在一個(gè)較大范圍內(nèi)的鹽分波動(dòng)帶給人的體感是相似的；但當(dāng)人體處于重度缺水時(shí)，人體對(duì)鹽分的濃度變化更加敏感。基于以上討論，檢測(cè)端采用了分梯度式計(jì)算方法：

(2)

該算法先對(duì)人體缺水狀態(tài)進(jìn)行判斷，再基于此基礎(chǔ)進(jìn)行下一步的計(jì)算，符合人體對(duì)于缺水的自然感受規(guī)律(非線性感知)，在相應(yīng)范圍內(nèi)效果好于一般的固定式算法。

同時(shí)，為了避免TDS傳感器在工作過程中可能發(fā)生的腐蝕、受損短路等情況，本設(shè)計(jì)采用先取樣稀釋后進(jìn)行測(cè)量的工作方式，將所取得的尿液樣品先進(jìn)行稀釋再計(jì)算，可以有效延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。

2.3網(wǎng)站設(shè)計(jì)

由于水杯的目標(biāo)用戶為消費(fèi)者，出于易用性的考慮，開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)站與水杯及系統(tǒng)配套使用。該網(wǎng)站頁面采用HTML、CSS、JavaScript語言編寫，后臺(tái)開發(fā)采用PHP語言，數(shù)據(jù)庫采用MySQL搭建[5〗。

2.3.1網(wǎng)站功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)站是飲水?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)中心，負(fù)責(zé)向用戶提供服務(wù)。網(wǎng)站的功能主要包括用戶的注冊(cè)和登錄、歷史飲水?dāng)?shù)據(jù)查詢、飲水?dāng)?shù)據(jù)管理等，系統(tǒng)網(wǎng)站功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)站功能結(jié)構(gòu)圖

(1)用戶注冊(cè)和登錄功能

用戶注冊(cè)功能為網(wǎng)站訪問者提供注冊(cè)用戶的服務(wù)，填寫個(gè)人信息，網(wǎng)站會(huì)根據(jù)智能飲水算法為用戶制定飲水計(jì)劃；填寫用戶水杯ID，可將水杯與用戶賬號(hào)配對(duì)，系統(tǒng)將飲水提醒推送至水杯，水杯也會(huì)將用戶飲水?dāng)?shù)據(jù)上傳至用戶專屬數(shù)據(jù)庫供用戶查詢[6]。

用戶登錄功能：驗(yàn)證用戶的信息是否合法，以及驗(yàn)證用戶是否屬于特定的身份。登錄的用戶界面分為管理員界面和用戶界面兩種。用戶界面用于為用戶提供服務(wù)，管理員界面主要進(jìn)行飲水?dāng)?shù)據(jù)的管理。

(2)歷史飲水?dāng)?shù)據(jù)查詢

水杯自動(dòng)將每次的飲水量上傳至服務(wù)器，網(wǎng)站展示頁自動(dòng)繪制飲水曲線，可按日期查詢每日飲水總量及飲水計(jì)劃完成度。

(3)飲水?dāng)?shù)據(jù)管理

管理員擁有所有用戶飲水?dāng)?shù)據(jù)庫管理權(quán)限，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、刪除等一系列操作。同時(shí)，用戶的需水量會(huì)由人體鹽分監(jiān)測(cè)端轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，再由服務(wù)器發(fā)送至水杯端提醒用戶。

2.3.2云端通信實(shí)現(xiàn)

云端通信是實(shí)現(xiàn)硬件與服務(wù)器交互功能。通過該功能的實(shí)現(xiàn)，飲水?dāng)?shù)據(jù)得以上傳，并及時(shí)保存。服務(wù)器也可以反饋已經(jīng)校準(zhǔn)的建議飲水量。本設(shè)計(jì)的通信分為兩方面：一是水杯端與云服務(wù)器的通信，二是檢測(cè)端與水杯端的通信。

當(dāng)水杯端向云服務(wù)器上傳飲水?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，水杯端與云服務(wù)器建立TCP連接，通過超文本傳輸協(xié)議(Hypertext Transfer Protocol， HTTP)采用POST方法向水杯發(fā)送包含飲水?dāng)?shù)據(jù)的報(bào)文，云服務(wù)器成功接收到報(bào)文以后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫中[7]。

當(dāng)檢測(cè)端向云服務(wù)器發(fā)送缺水量時(shí)，同樣采用POST方法，而云服務(wù)器接收到缺水量向水杯發(fā)送飲水提醒時(shí)，是采用水杯向云服務(wù)器發(fā)送GET請(qǐng)求的方法來獲取數(shù)據(jù)。采用該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要知道水杯端的IP地址，水杯端也可以接收到來自云服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1飲水記錄測(cè)試

通過模擬真實(shí)飲水動(dòng)作對(duì)水杯端的飲水量測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)試。

在開啟使用時(shí)，系統(tǒng)初始化，OLED記錄喝水量值為0 mL， 所需飲水量為2 000 mL。在喝水前，通過標(biāo)準(zhǔn)電子稱對(duì)水杯重量進(jìn)行人工記錄,然后進(jìn)行真實(shí)喝水動(dòng)作，在動(dòng)作結(jié)束后，記錄下喝完之后的水杯重量。此時(shí)在顯示屏上顯示了累計(jì)喝水量數(shù)據(jù)。

在經(jīng)過多次測(cè)試之后，可以得到水杯測(cè)量值與實(shí)際喝水值之間的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 喝水量檢測(cè)準(zhǔn)確度測(cè)試

由表1可以得到，本設(shè)計(jì)在 100～500 mL之間有較高的測(cè)量精度，準(zhǔn)確度在95%左右。而當(dāng)所喝水量過多或過少時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)下降，準(zhǔn)確度在 90%上下浮動(dòng)。

3.2電容傳感器測(cè)試

水杯沿的電容傳感器的觸發(fā)，對(duì)檢測(cè)飲水量起關(guān)鍵作用。通過3組測(cè)試人對(duì)水杯飲水采集各200次，即采樣樣本為600。其中未觸發(fā)次數(shù)13次，采樣識(shí)別率達(dá)97.83%。各組測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電容傳感器識(shí)別測(cè)試

由表2可以得到，本設(shè)計(jì)的電容觸發(fā)識(shí)別飲水狀態(tài)方案具有較高的識(shí)別率，可對(duì)日常飲水動(dòng)作進(jìn)行較為精準(zhǔn)的檢測(cè)。

4 結(jié)束語

本文研究并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程進(jìn)行了相關(guān)研究，主要包括系統(tǒng)各部分硬件的選型、核心模塊飲水量檢測(cè)模塊的構(gòu)建、TDS檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)、云服務(wù)器的搭建、整體系統(tǒng)的測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，水杯端與檢測(cè)端預(yù)期功能基本實(shí)現(xiàn)，下一步工作還可以從功能、功耗、成本等方面對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步完善，使該系統(tǒng)適用于更為專業(yè)的場(chǎng)合，并進(jìn)一步為人體健康提供醫(yī)療大數(shù)據(jù)輔助。

[1] 艾紅梅，王昌富. 尿液分析的現(xiàn)狀與展望[J]. 國(guó)外醫(yī)學(xué): 臨床生物化學(xué)與檢驗(yàn)學(xué)分冊(cè), 2005, 26(4): 256.

[2] 張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32(庫函數(shù)版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

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[4] 范興隆. ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2016,16(9): 52-56.

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[6] 羅啟強(qiáng). 基于PHP+MySQL的高校教務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林: 吉林大學(xué)，2016.

[7] GOURLEY D, TOTTY B, SAYER M. HTTP權(quán)威指南[M]. 陳涓，趙振平，譯.北京：人民郵電出版社, 2012.

STM32 - based water-drinking warning cup and water shortage detection system

Zeng Qunqi, Wang Yu, Huang Zejia, Yin Huili, Wang Weixing

(College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

A water-drinking reminder cup and water shortage detection system based on STM32 is designed. The system can realize the real-time record of drinking water and upload it to the cloud server for inquiry. At the same time, according to the loss of human salt, the built-in algorithm is used to calculate the body’s water requirements and to remind the human body to drink water. Drinking water detection module through the capacitive sensor can identify the drinking movement intelligently. Using pressure sensors to calculate the amount of water, then the value of the HX711 AD conversion with OLED screen display. Human salt detection module can be used by multiple users, using RFID for identification, through the TDS sensor to calculate the loss of human salt, and then calculaing the human water demand, through the cloud server to remind the user to drink water. In the cloud server the website is set up supporting the use of the cup, which development language is PHP, database uses MySQL to build.

STM32; water-drinking reminder; drinking water detection; salt detection; RFID identification

TN919.72; TP273

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.029

曾群期，王毓，黃澤佳，等.基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測(cè)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：99-101,105.

2017-03-12)

曾群期(1997-)，男，本科在讀,主要研究方向：嵌入式硬件開發(fā)。

王毓(1996-)，男，本科在讀，主要研究方向：通信與軟件開發(fā)。

殷惠莉(1975-)，通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：無線通信、機(jī)器視覺。E-mai:huiliyin@scau.edu.cn。