1 引言

当今快节奏的生活方式，使得人们在忙于各类事工作事物时，常常忘记了按时饮用杯中的水来给自己身体补充水分，而当人们想起要饮用时，杯中的水的温度早已不适宜饮用了。在这种背景下，许多保温杯垫应时而生。但是目前的保温杯垫，功能较为单一，不具备手机端 APP远程控制功能，还存在着以下的不足：没有定时提醒用户饮水的功能；不具备饮水量监测功能；不能依据个人喜好设定自己的饮水习惯等。而本文设计的智能杯垫，在改进了以上问题的基础上，还加入了物联网功能，使得用户可以在手机端 APP 查看每日的饮水量和设定补水提醒的时间间隔，大大提升了使用的便捷性和用户的体验感。

2 系统的硬件设计

2.1 控制核心及总体构成框图 

基于阿里云的智能杯垫由ESP8266系列微控制器和各类传感器及外围电路构成，其构成框图如图所示。   

为了最大化降低生产成本和提高产品落地的可行性，本智能杯垫采用了ESP8266系列物联网芯片作为控制器。它的内部集成了 RC 振荡电路，因此无需外接晶振，有利于减少产品的体积和生产成本。不仅如此，还具有超低价位、超低功耗和高可靠性的特点，能够满足智能杯垫的数据采集和控制的要求。

2.2 压力传感器模块

为了监测用户的饮水量，该杯垫使用了精度达 24bits的 HX711 模数转换模块来采集压力传感器的数据]。由于水的密度是不变的，所以可以从水杯重量的变化值，推导出饮水量的多少。具体计算如下：  2.3 温度传感器模块

温度检测功能使用了 DS18B20 数字温度传感器，其测量范围为 -38℃ ~655℃，分辨率达 ±0.5℃，能够满足水杯温度的精确采集要求，使得控制器能够根据水杯底部的温度值与设定的阈值作对比，完成自动加热保温功能。

 2.4 ESP8266 WiFi模块

为实现高质量地、稳定地与服务器无线通信，该杯垫选用了ESP8266模块。该WiFi模块的传输距离可达400米左右。
2.5 环形陶瓷加热片

它的优点是升温快、耗电省、温度准确、使用寿命长和温度控制稳定可靠。但由于加热片是由陶瓷类基片构成。为确保能够安全地、较快地加热杯中的水，该杯垫选直径为 48 mm、最大功率可达12W的 MCH 氧化铝陶瓷加热片。但因为氧化铝陶瓷加热片的温度特性曲线不够平滑，且加热过程中容易受到外界的干扰，存在测量传送的滞后问题，所以该杯垫使用了 PID 控制的思想对加热过程进行调控，使得陶瓷加热片的功率可随水温的高低而动态调整，防止因为某些因素导致过度加热的情况发生。PID模型的具体参数计算方法如下：将温度传感器作为 PID 控制系统的闭环。反馈回路，求出当前的温度值与设定的温度值之间的偏差，代入 PID 的计算公式即可求出相应的参数。

3 系统的软件设计

3.1 环形陶瓷加热片

本文选择的阿里云物联网平台，它具有友好的开发环境，能帮助开发者在短时间内完成产品的开发。在阿里云开发者中心创建好“智能杯垫”的工程后，需要根据自己的需求创建相关的数据点，以便实现从平台到手机端数据类型和功能的匹配。在本文中，共设定了5个数据点，具体如表所示：

当设定好数据点后，便可在阿里云平台自动生成ESP8266的ARDUINO底层代码，减少产品开发的时间和工作量，降低开发成本。 

3.2 温度和饮水量的采集

在温度测量方面，使用 DS18B20进行水杯底部的温度采集。DS18B20 是美国DALLAS 公司生产的可完全替代DS1820 的全新型单线数字式温度计。它具有结构简单，不需外接元件，采用一根I/O 数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点，可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。在测量饮水量方面，由于是根据水杯的重量变化量来,间接获取用户的饮水量大小。 

3.3 定时饮用水提醒

当计时值与用户设定的提醒时长相等时，将通过杯垫内置的蜂鸣器提醒用户按时饮水，同时也会在手机端 APP 发出相应的提示，确保用户不会错过任何一次补水提醒。如果在计时途中，计时值未到提醒时长便监到用户进行了一次饮水行为时，将会自动重置计时值，使计时器能从用户饮水后的时刻开始，重新计时，避免了一个提醒周期内重复提醒用户饮水的情况发生。

3.4 饮水量检测功能测试

将盛有 500mL 水的水杯放置在智能杯垫上，每次倒去100mL 的水再放回杯垫上，观察并记录杯垫测量的饮水量大小，测试结果如表所示。从表中可以看到，该智能杯垫能够较好地测量饮水量，虽然存在一定的误差，但误差均比较小，不影响用户的体验。

4 总结

本作品设计的基于阿里云平台的智能杯垫，通过温度传感器来获取水温并作为 PID 控制的反馈参数，达到恒温功能；通过 HX711 采集压力传感器的重量变化，实现饮水量监测功能；通过阿里云平台的接入，实现了手机端 APP 控制和定时补水提醒功能。以上功能的增加，解决了市面上加热保温杯垫的不足，大大提高了产品的智能程度，方便了用户使用。该作品还具备生产成本低、制造简单、耐使用，使得它具备良好的市场前景。