基于人工智能全自动饮水机的自动装置

李正军，郝传柱

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

随着人们生活质量的不断提高，智能家居逐步走进人们的视野，智能饮水机受到越来越多人的青睐，但是目前市场上的饮水机接水时光靠听声音判断音色、眼睛盯看水位等方式来控制水的开关，往往不能及时有效地在水接满时断开开关，不仅浪费了资源也增加了烫伤的可能，存在极大的安全隐患。本文设计的一种新型饮水机，智能且安全、有效地解决了以上问题。

1 饮水机的研究现状

目前市场上的智能饮水机将节能、健康、便捷作为重要功能，而人工智能全自动饮水机突出的自动化特点，能极大方便人们的生活，适用范围广泛，在一些特殊场所使用也极为方便。例如设置在公共场所，可适合各类型杯具，不论大小都能自动加满，不用担心水会溢出杯外，并且操作简单；设置在敬老院中，可极大方便手脚不灵活的老人们，只需要把杯子放在指定位置，稍作等待便可以喝到水，减少了安全隐患；设置在幼儿园中，水满即停，可以减少儿童的烫伤事故。我国人口基数庞大，市场需求量巨大。

市场上的大部分饮水机是手动操作，接水时必须一边按键一边接水；一些自助餐厅里虽然是一键自动注满水，但是定量注水，必须用统一的杯子，如果换成其他容量的杯子就有可能水接不满或者水溢出。人工智能全自动饮水机可以实现自动化，不仅结合其他智能饮水机的特点，本身又具有创新点，对特殊群体和特殊场合都非常适用。

2 人工智能全自动饮水机的总体设计

2.1 设计理念

本产品在内部有1 个单片机，控制整个装置。杯子放置处有1 个超声波传感器，用来检测是否有物体靠近。当检测到有物体靠近时，直流电机控制注水孔向下移动，下降过程中侧面的光纤传感器检测到杯子的高度停止下降，开始注水，光纤传感器检测到杯口距水面一定高度时，停止注水，回到初始位置。上下各有2 个限位开关用来限制出水口的运动。水面距离出水孔的距离可以通过程序进行修改，以控制接水的容量，或当出水量达到所需时也可以直接拿走。本设计可方便人们生活，如孕妇、老人在家时，难免会行动不便，本产品从根本上解决问题，给人们带来便利。本产品也不会担心误触碰，只有在检测到物体高度时才会自动出水，否则出水孔在触发到下方的限位开关时再回到初始位置（图1）。

图1 组装实物

2.2 整体设计

装置利用了多种硬件和软件，通过传感器感知环境与外界被测参数的相互作用，调制成所需信号。产品最终实现将杯子放在接水口下，接水口自动调节高度，自动注水，水柱达到一定高度时，自动停止注水，设备恢复原样。本设计本着小巧便捷自动化的理念，外壳设计分4 部分：出水口、前盖板、后盖和底座（图2～图5）。

图2 出水口

图3 前盖板

出水口设计为上下升降式，旨在适应不同高度的杯子，防止水的溅出，并安装软皮管，用来接通水桶中的水。将前盖板与出水口组合可实现上下移动，升降结构采用滑杆、滑块和直流电机的组合形式。直流电机安装于前盖板中，利用带传动带动滑块和出水口运动。

图4 后盖

图5 底座

2.3 硬件设计

人工智能全自动饮水机主要由主控制板模块、传感器模块、硬件组成模块3 大部分组成（图6）。

（1）主控制板。本设计使用Arduino 控制板，它是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino 板） 和软件（Arduino 集成开发环境）（图7）。Arduino 能通过各种传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino 的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。

（2）光纤传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用下，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，最后经过光纤放大器进行放大信号，本设计主要使用YIBO-NA11 型号放大器和直角传感器（图8、图9）。组合两组光纤传感器，一组放在出水口处用来检测水面高度，另一组放在前盖板侧面，用来决定出水口下降高度。使用光纤传感器的优点：①灵敏度较高；②几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；③可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；④可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其他的恶劣环境；⑤具有与光纤遥测技术的内在相容性；⑥电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

图6 内部结构

图7 Arduino 控制板

图8 光纤放大器

图9 直角形光纤传感器

（3）超声波传感器。超声波传感器通过发送和接收声波来测量距离，利用时间差和声波传播速度来计算模块到前方障碍物的距离。本设计中将超声波传感器设置在前盖板下，用来检测杯子是否靠近。

2.4 软件设计（图10、图11）

3 人工智能全自动饮水机应用优势

相比于其他传统的饮水机，本设计可以自动检测杯子是否装满，升降式的出水口适应各种类型的杯子，防止水溢出杯外，减少安全隐患。可以实现无需用手碰饮水机就把杯中水加满。水注满后自动停止，减少烫伤事件发生。

图10 系统原理

图11 工作流程

4 结论

本设计的人工智能全自动饮水机，使饮水机变得智能化，足够在市场现状下打开一扇窗，可在使用过程中减少资源浪费和安全隐患，提高人们生活便利感。人工智能全自动饮水机符合时代的发展要求，符合大众的实用主流，在使用价值和商业价值上有无限潜力。