前言

近年來，IoT行業(yè)迎來了一個快速發(fā)展的窗口期，隨之可見的是，越來越多的智能化產品進入到了我們的日常生活中，包括隨著健康飲水熱度的攀升而進入消費者視線的智能化水杯。本項目下的智能化水杯主要針對辦公室白領和獨居老人兩類群體，具備以下主要功能：

- 支持自定義提醒功能；

- 支持智能分析一段時間內的飲水數(shù)據(jù)；

- 支持屏顯水容量和水溫；

- 支持語音播報水容量和水溫；

- 支持用戶人群分類；

- 首創(chuàng)關懷模式，支持在子女和老人的賬戶共享,子女可通過App查看并提醒老人喝水。

一款產品的原型設計至關重要，而將產品搭在什么平臺之上，更是值得考究的問題。

國內主流的IoT云平臺各有千秋，涂鴉云平臺的最大特色是采取標準模塊化開發(fā)規(guī)則，這對于產品的開發(fā)者而言，不僅大大降低了開發(fā)門檻，還大幅降低研發(fā)成本和開發(fā)周期，快速實現(xiàn)產品智能化。

正是基于這種標準化開發(fā)能力，我們在涂鴉云開發(fā)平臺上看到大量的行業(yè)標品，幾乎覆蓋了我們日常所能見到的所有智能品類，這無疑給開發(fā)者們帶了極大的便利。涂鴉云開發(fā)平臺上豐富的開發(fā)文檔，從設備端SDK、移動端SDK，再到云端SDK的支持，對于看重二次開發(fā)的開發(fā)者是非常不錯的福音。這也正是我本次選用涂鴉IoT云開發(fā)平臺開發(fā)這款智能水杯的主要考量。

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1. 智能單品的創(chuàng)建

選定了涂鴉IoT云平臺之后，就可以在涂鴉的IoT云平臺可以快速地創(chuàng)建需要的智能單品：

2. 產品開發(fā)

整個產品開發(fā)分為兩大部分：硬件部分和軟件部分。在硬件部分呢，涂鴉只提供標準化的模組（Wi-Fi模塊或藍牙模組等），并不提供具體的MCU選型以及對應傳感器相關的選型，這些就需要智能單品開發(fā)根據(jù)自己的實際情況，自行完成選型。

2.1 硬件設計

有了基本的IoT云平臺選型之后，下一步著重要進行的就是硬件部分的選型。

硬件選型遵循的原則應該是：盡可能選用成熟的硬件方案，選用的硬件型號應略高于滿足你的功能需求，即留有冗余空間，盡可能考慮使用易開發(fā)的組件。

主控模塊

主控模塊選用的是開發(fā)者最容易上手的增強型 STC12C5A60S2，它是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。對比傳統(tǒng)的51單片機，它有非常顯著的技術優(yōu)勢：

藍牙通訊模塊

選用的是極具性價比的涂BT3L藍牙模組，在基于藍牙的智能單品上應用非常廣泛，它的基本資料如下：

OLED顯示模塊

這里為了在產品中顯示相關的基礎數(shù)據(jù)，包括當前水杯溫度、藍牙連接狀態(tài)、定時喝水提醒倒計時、電池電量、本地計時、杯中水量、已喝水量、目標水量等等。

考慮成本和接口設計等因素，采用的是由 SSD1306芯片驅動的9.6寸的OLED。

OLED 由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。同比之下LCD都需要背光，而OLED不需要，因為它是自發(fā)光的，這樣的話同樣的顯示，OLED效果要來得好一些。

按鍵模塊

按鍵這部分相對比較簡單，直接采用的是點觸式非自鎖開關；主要是配合應用做一些簡單的功能切換；比如短按的時候切換屏幕開和關，長按的時候復位藍牙模組，進入配網(wǎng)流程等。

溫度傳感器模塊

溫度傳感器主要的用途是測量水杯的溫度，以便于展示真實的水溫度。這里我選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。[1] DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。

RTC時鐘模塊

RTC時鐘作為一個本地計時的模塊而存在，選用的是非常經(jīng)典的RTC模塊：DS1302。

DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.0V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

壓力傳感器模塊

重力/壓力傳感器主要是用于測量水杯的整體重量，通過密度、體積、質量三者的數(shù)量關系，從而得出水容量的一種方法。

這里我選用的是HX711：它是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。

2.2 軟件設計

代碼整體框架

MCU主控

主控部分的軟件代碼，采用的是STC12C5A60S2這塊增強型的51單片機，它的軟件開發(fā)完全兼容傳統(tǒng)的51單片機，它的開發(fā)特定就是易上手，IO口豐富，外設也相對豐富，基本滿足需要的功能需求。

在這個項目，主要使用它的以下幾個部分：定時器、雙串口（一個串口日志調試、另一個串口與藍牙通訊）、ADC、標準的GPIO、E2PROM等。至于其他幾個外設傳感器，均采用的GPIO做通訊協(xié)議的模擬。

藍牙通訊

藍牙通訊這部分的軟件代碼其實分為兩部分：藍牙模組的固件代碼和MCU側對接藍牙模組的軟件代碼。由于是在涂鴉云平臺上直接創(chuàng)建產品，模組直接選用的是涂鴉的標準藍牙模組，所以藍牙模組這部分的固件代碼，是不用開發(fā)的，而需要開發(fā)的僅僅是通過簡單的串口協(xié)議跟藍牙模塊就能夠對接起來。類似下邊這張圖的左半部分所展示的這樣：

關于這種開發(fā)方式，是 “MCU低代碼開發(fā)”，詳盡的介紹可以參考：https://developer.tuya.com/cn/docs/iot/mcu-access-guide?id=K9hrbv1ub5owo。

涂鴉的MCU側SDK移植

在涂鴉的IoT云平臺上創(chuàng)建了對應的智能單品后，云平臺會自動創(chuàng)建對應的MCU側參考SDK，這個SDK中將對應產品的功能屬性、物模型數(shù)據(jù)都固話在里面了，并且SDK內部已經(jīng)很好地實現(xiàn)了MCU和藍牙模組的對接，當收到藍牙模組的數(shù)據(jù)傳遞時，自動進行處理。

在適配的過程中，只需要根據(jù)SDK包中的參考文檔，將MCU側幾個核心的跟串口收發(fā)的接口適配好后，整一個與藍牙模組的通訊功能就可以跑起來了。

這時，通過SDK包中的mcu_api.h的接口就可以實現(xiàn)對藍牙模組的各種操作了。

- 更為詳盡的移植步驟，可以參考：https://developer.tuya.com/cn/docs/iot/mcu-sdk-migration-guide?id=K9fs77cw2vy27。

基礎外設

按鍵觸發(fā)

為了簡單處理，本項目中采用的簡單的GPIO實現(xiàn)單點按鍵的功能；同時，為了實現(xiàn)單個按鍵短按和長按的對應不同的功能，在按鍵處理代碼中，增加了按鍵狀態(tài)機的處理模型，有效地區(qū)分按鍵短按和長按狀態(tài)。

OLED顯示

OLED采用的是I2C串行數(shù)據(jù)協(xié)議，考慮到GPIO的分布，本項目采用的是GPIO軟件模擬I2C洗衣的方式，通過對不同寄存器的讀寫封裝，可以實現(xiàn)對OLED區(qū)域的顯示；同時配合字模制作軟件，可以生成中文字模以及自定義的各式各樣的圖形和符號，極大地方便了顯示的多樣性。

溫度傳感器測溫

DS18B20溫度傳感器采用的是單數(shù)據(jù)線串行協(xié)議，切換單數(shù)據(jù)線的電平切換實現(xiàn)對溫度信息的采集，經(jīng)過合理的轉換運算后，得到一個比較精確的水杯溫度值，用于展示在顯示屏上。

壓力傳感器測水容量

壓力傳感器用于檢測水的容量，這是一個間接的測量方法，先通過壓力（重力）傳感器測得不同水容量下的重量，得出不能容量下的重量分布表；在真正的測量中，將取得的重量數(shù)據(jù)對照水容量表格，大致可以得出對應的水容量，從而做水量的數(shù)據(jù)展示。

RTC本地時鐘

RTC時鐘，采用的是自定義的串行數(shù)據(jù)協(xié)議，通過RST、IO、SCK三線的變化，可以準確地實現(xiàn)對RTC時鐘的讀和寫；同時該模塊是采用紐扣電池長供電的，所以可以長時間保持時鐘的有效性。

電池電量檢測

本產品由鋰電池或干錳電池供電，借助MCU側自帶的ADC通道，可以很快地測出供電電壓。由于STC12C5A60S2的ADC內部參考電壓就是供電電壓VCC，所以必須借助2路ADC通道，其中一路外接一個參考電壓，然后根據(jù)等比關系計算出供電電壓VCC。

比如外部參考電壓是V1 = 1.0V，對應這路ADC測量的電壓值為V11；而另一路ADC測量出來的電壓值為V12。他們與VCC的等比關系是：VCC / V12 = V1 / V11

由此可計算出：VCC = V1 * V12 / V11

再結合VCC電壓和鋰電池的降壓特性，初步得出當前的電量百分比，隨后送到屏幕展示。

基礎的應用邏輯

這里的基礎應用邏輯有包括以下幾點：

-設備復位和設備配網(wǎng)：當按鍵長按3秒以上時，則觸發(fā)藍牙設備的解綁，所有本地數(shù)據(jù)都講復位到默認值，同時藍牙設備再次發(fā)起廣播，等到手機APP的自動發(fā)現(xiàn)，以及發(fā)起后續(xù)的設備配網(wǎng)操作。

-飲水提醒： 當手機APP端下發(fā)的飲水提醒時間已到，則整個OLED屏幕開始1秒鐘開滅一次，直到檢測到一次新的喝水動作。

-飲水動作的檢測：當水杯水容量，前后的變化銳減20ml以上，則認為是一次有效的喝水動作，此時已喝水量會增加對應的喝水量，同時喝水次數(shù)會加1，且會上報一次全量數(shù)據(jù)。

-本地數(shù)據(jù)定時上報：本地的數(shù)據(jù)，每個5秒鐘會觸發(fā)上報，同時觀察手機APP，即可看到數(shù)據(jù)的變化。

-藍牙連接狀態(tài)顯示：藍牙有3種狀態(tài)，0狀態(tài)對應的是設備未綁定，此時藍牙圖標每秒鐘閃爍一次；1狀態(tài)對應已綁定但未連接手機，此時藍牙圖標3秒鐘閃爍一次；2狀態(tài)表示正常已綁定已連接狀態(tài)，測試藍牙圖標常態(tài)化一直顯示。

代碼開源

本產品的相關代碼已開源，感興趣可以聯(lián)系我們。

2.3 功能調試

模擬調試

涂鴉模組調試助手是一個集成了云模組通訊協(xié)議的串口調試工具，常用于MCU低代碼開發(fā)方案的開發(fā)調試。模組調試助手集成了包括Wi-Fi、藍牙、Zigbee、NB-IoT等云模組常用串口協(xié)議，既可以模擬模組驗證MCU代碼邏輯，也可以模擬MCU調試配網(wǎng)功能。

這個助手很好地解決了產品設計前期的快速落地驗證和原型規(guī)劃，也極大地方便了在實際開發(fā)過程中遇到數(shù)據(jù)通訊問題時的調試手段，可以比較快地定位和解決問題。

關于模組調試助手的詳盡介紹，可以戳這里：https://developer.tuya.com/cn/docs/iot/network-module-overview?id=Ka4z12ojepber。

-設備調試

有了模擬調試的基礎之后，就可以在開發(fā)過程中，進行真實設備的功能調試，這里采用的方式也是先從本地的基礎數(shù)據(jù)入手，先把本地的基礎數(shù)據(jù)調通，比如水溫的探測、飲水量的檢測、杯中水量的探測等等。

聯(lián)網(wǎng)調試

這里主要驗證智能水杯的聯(lián)網(wǎng)功能，包括與 智能生活APP的發(fā)現(xiàn)配對、連接，基礎數(shù)據(jù)的上下行對接，智能場景聯(lián)動等核心功能調試。

產品核心功能的完整演示視頻，感興趣可以聯(lián)系我們。

最后

看似一個簡單的智能單品，但是，從最早的產品孵化再到產品原型的設計，再到IoT云平臺、硬件模塊的選型，然后進行軟件開發(fā)、功能調試，這一系列的內容也是需要經(jīng)過不斷地思考和打磨，方可把這個智能化產品真的的落地。

這段開發(fā)經(jīng)歷來說，最大的收獲并不是說把幾個智能化的核心功能給實現(xiàn)了，反倒是這個智能單品的開發(fā)全流程能學習到了不少技術以外的內容，這些對于深入理解IoT領域提供了極大的幫助，也相信將來會有更多優(yōu)秀的智能單品從這里誕生。