引言

隨著智能硬件的高速發展，市面上出現了一系列智能水杯。但大部分水杯都是根據固定飲水量對用戶進行飲水提醒，這樣的方式忽視個體差異。而真正的健康飲水方式是根據身體需水量，來對飲水進行規劃。

為了根據不同人的身體機能的差異對用戶進行飲水提醒，設計了一款基于人體鹽分流失檢測進行飲水提醒的智能水杯。本設計通過用戶基礎信息計算給出建議飲水量，并通過對人體鹽分流失檢測來進一步校正建議飲水量，實現智能提醒用戶飲水。其主要以單片機STM32系列芯片、壓力傳感器、壓敏傳感器等為硬件基礎，通過軟件編程實現記錄數據，繪制相應的飲水曲線，對飲水習慣進行評價，定量提醒用戶飲水等功能，使用戶養成健康的飲水習慣。

1、系統總體設計

本系統由智能水杯端（以下簡稱水杯端）及人體鹽分檢測端（以下簡稱檢測端）組成，智能水杯系統框圖如圖1所示。其中水杯端的主控芯片為STM32F103C8T6，供電電壓2．0V～3．6V，一系列的省電模式保證低功耗的要求。檢測端的主控芯片為STM32F103ZET6，該芯片的配置十分強，帶有外部總線（FSMC），可以用來外擴SＲAM和連接LCD等。

壓力傳感器及電容傳感器組成飲水監測系統，通過布置在杯沿的人體電容識別傳感器對飲水狀態進行識別，通過壓力傳感器對水的重力進行檢測，并通過HX711芯片對數據進行AD轉換。OLED顯示屛提供了交互界面，并有利于低功耗的設計要求。無線充電模塊使水杯端的充電使用更為便利與安全。

圖1 智能水杯系統框圖

檢測端由TDS傳感器、RFID識別模塊及WiFi模塊組成。TDS傳感器量程為2000PPM，滿足對尿液鹽分稀釋后的檢測。與磁卡、IC卡等接觸式識別技術不同，ＲFID系統的電子標簽與讀寫器之間無須物理接觸即可完成識別，因此它可實現多目標識別、運動目標識別，可在更廣泛的場合中應用。

2、軟件設計

2．1、喝水量檢測算法

水杯端采用電容按鍵與壓力傳感器配合執行程序流程以實現精確測定喝水量的功能。其程序流程圖如圖2所示。

圖2 ?喝水量檢測算法流程圖

由電容按鍵的輔助感知，系統可以得到水杯使用前后的水杯內水量差異，再通過執行相應的差值算法將讀數轉換成對應的喝水量數據，在傳感器讀數與真實水量間存在一個比例常數（weight_con），該常數決定了計數值與真實值之間存在的轉換比例。

具體計算如式（1）：

其中weight_sense為傳感器計數值，weight_real為真實水量值，由于weight_con是一個非線性的常數，其值大小與測量范圍相關，因此通過繪制散點圖來確定其在日常測量范圍內的線性區間及對應常數值大小，如圖3所示。

圖3 ?比例常數散點圖

經計算后得到，在測量范圍100～500內，比例常數值波動較小，以一個平均常數代替，取weight_con值為431。當變化值小于或大于該范圍時，會產生一定的非線性偏差。

2．2、TDS-缺水量測定算法

檢測端通過測定尿液中鹽類離子的深度來間接測定人體的缺水程度，并據此確定一個基礎缺水量并發送至服務器進行下一步的計算。

當人體內鹽分過高時，人會感到口干舌燥，嚴重者會伴有頭暈、困倦等其他表現，且人對于機體缺水的感知并不是一個一成不變的過程：當人體處于輕度缺水時，在一個較大范圍內的鹽分波動帶給人的體感是相似的;但當人體處于重度缺水時，人體對鹽分的濃度變化更加敏感。基于以上討論，檢測端采用了分梯度式計算方法：

該算法先對人體缺水狀態進行判斷，再基于此基礎進行下一步的計算，符合人體對于缺水的自然感受規律（非線性感知），在相應范圍內效果好于一般的固定式算法。

2．3、網站設計

該網站頁面采用HTML、CSS、JavaScript語言編寫，后臺開發采用PHP語言，數據庫采用MySQL搭建。

2．3．1、網站功能設計

網站是飲水數據服務中心，負責向用戶提供服務。網站的功能主要包括用戶的注冊和登錄、歷史飲水數據查詢、飲水數據管理等，系統網站功能結構圖如圖4所示。

圖4 ?網站功能結構圖

2．3．2、云端通信實現

云端通信是實現硬件與服務器交互功能。通過該功能的實現，飲水數據得以上傳，并及時保存。服務器也可以反饋已經校準的建議飲水量。本設計的通信分為兩方面：一是水杯端與云服務器的通信，二是檢測端與水杯端的通信。

3、系統測試

3．1、飲水記錄測試

在開啟使用時，系統初始化，OLED記錄喝水量值為0mL，所需飲水量為2000mL。在喝水前，通過標準電子稱對水杯重量進行人工記錄，然后進行真實喝水動作，在動作結束后，記錄下喝完之后的水杯重量。此時在顯示屏上顯示了累計喝水量數據。

在經過多次測試之后，可以得到水杯測量值與實際喝水值之間的相關數據，如表1所示。

表1 ?喝水量檢測準確度測試

由表1可以得到，本設計在100～500mL之間有較高的測量精度，準確度在95%左右。而當所喝水量過多或過少時，測量準確度會下降，準確度在90%上下浮動。

4、結束語

本文研究并設計實現了基于STM32的飲水提醒水杯及缺水量檢測系統。對硬件設計和軟件編程進行了相關研究，主要包括系統各部分硬件的選型、核心模塊飲水量檢測模塊的構建、TDS檢測算法的設計、云服務器的搭建、整體系統的測試。經測試，水杯端與檢測端預期功能基本實現，下一步工作還可以從功能、功耗、成本等方面對本設計進行進一步完善，使該系統適用于更為專業的場合，并進一步為人體健康提供醫療大數據輔助。