藍(lán)牙通訊的新型智能化水杯

前言

近年來(lái)，IoT行業(yè)迎來(lái)了一個(gè)快速發(fā)展的窗口期，隨之可見(jiàn)的是，越來(lái)越多的智能化產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)入消費(fèi)者視線的智能化水杯。本項(xiàng)目下的智能化水杯主要針對(duì)辦公室白領(lǐng)和獨(dú)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(shí)間內(nèi)的飲水?dāng)?shù)據(jù)；

- 支持屏顯水容量和水溫；

- 支持語(yǔ)音播報(bào)水容量和水溫；

- 支持用戶人群分類；

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

一款產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而將產(chǎn)品搭在什么平臺(tái)之上，更是值得考究的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)主流的IoT云平臺(tái)各有千秋，涂鴉云平臺(tái)的最大特色是采取標(biāo)準(zhǔn)模塊化開(kāi)發(fā)規(guī)則，這對(duì)于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)者而言，不僅大大降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻，還大幅降低研發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化。

正是基于這種標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)能力，我們?cè)谕盔f云開(kāi)發(fā)平臺(tái)上看到大量的行業(yè)標(biāo)品，幾乎覆蓋了我們?nèi)粘Ｋ芤?jiàn)到的所有智能品類，這無(wú)疑給開(kāi)發(fā)者們帶了極大的便利。涂鴉云開(kāi)發(fā)平臺(tái)上豐富的開(kāi)發(fā)文檔，從設(shè)備端SDK、移動(dòng)端SDK，再到云端SDK的支持，對(duì)于看重二次開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)者是非常不錯(cuò)的福音。這也正是我本次選用涂鴉IoT云開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)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(tái)之后，就可以在涂鴉的IoT云平臺(tái)可以快速地創(chuàng)建需要的智能單品：

2. 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)化的模組（Wi-Fi模塊或藍(lán)牙模組等），并不提供具體的MCU選型以及對(duì)應(yīng)傳感器相關(guān)的選型，這些就需要智能單品開(kāi)發(fā)根據(jù)自己的實(shí)際情況，自行完成選型。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

有了基本的IoT云平臺(tái)選型之后，下一步著重要進(jìn)行的就是硬件部分的選型。

硬件選型遵循的原則應(yīng)該是：盡可能選用成熟的硬件方案，選用的硬件型號(hào)應(yīng)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(kāi)發(fā)的組件。

主控模塊

主控模塊選用的是開(kāi)發(fā)者最容易上手的增強(qiáng)型 STC12C5A60S2，它是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。對(duì)比傳統(tǒng)的51單片機(jī)，它有非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

藍(lán)牙通訊模塊

選用的是極具性價(jià)比的涂BT3L藍(lán)牙模組，在基于藍(lán)牙的智能單品上應(yīng)用非常廣泛，它的基本資料如下：

OLED顯示模塊

這里為了在產(chǎn)品中顯示相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前水杯溫度、藍(lán)牙連接狀態(tài)、定時(shí)喝水提醒倒計(jì)時(shí)、電池電量、本地計(jì)時(shí)、杯中水量、已喝水量、目標(biāo)水量等等。

考慮成本和接口設(shè)計(jì)等因素，采用的是由 SSD1306芯片驅(qū)動(dòng)的9.6寸的OLED。

OLED 由于同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。同比之下LCD都需要背光，而OLED不需要，因?yàn)樗亲园l(fā)光的，這樣的話同樣的顯示，OLED效果要來(lái)得好一些。

按鍵模塊

按鍵這部分相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接采用的是點(diǎn)觸式非自鎖開(kāi)關(guān)；主要是配合應(yīng)用做一些簡(jiǎn)單的功能切換；比如短按的時(shí)候切換屏幕開(kāi)和關(guān)，長(zhǎng)按的時(shí)候復(fù)位藍(lán)牙模組，進(jìn)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(cè)量水杯的溫度，以便于展示真實(shí)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(hào)，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。[1] DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)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(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。

RTC時(shí)鐘模塊

RTC時(shí)鐘作為一個(gè)本地計(jì)時(shí)的模塊而存在，選用的是非常經(jīng)典的RTC模塊：DS1302。

DS1302 是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.0V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)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(cè)量水杯的整體重量，通過(guò)密度、體積、質(zhì)量三者的數(shù)量關(guān)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(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)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(nèi)時(shí)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(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)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(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

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(qiáng)型的51單片機(jī)，它的軟件開(kāi)發(fā)完全兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，它的開(kāi)發(fā)特定就是易上手，IO口豐富，外設(shè)也相對(duì)豐富，基本滿足需要的功能需求。

在這個(gè)項(xiàng)目，主要使用它的以下幾個(gè)部分：定時(shí)器、雙串口（一個(gè)串口日志調(diào)試、另一個(gè)串口與藍(lán)牙通訊）、ADC、標(biāo)準(zhǔn)的GPIO、E2PROM等。至于其他幾個(gè)外設(shè)傳感器，均采用的GPIO做通訊協(xié)議的模擬。

藍(lán)牙通訊

藍(lán)牙通訊這部分的軟件代碼其實(shí)分為兩部分：藍(lán)牙模組的固件代碼和MCU側(cè)對(duì)接藍(lán)牙模組的軟件代碼。由于是在涂鴉云平臺(tái)上直接創(chuàng)建產(chǎn)品，模組直接選用的是涂鴉的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙模組，所以藍(lán)牙模組這部分的固件代碼，是不用開(kāi)發(fā)的，而需要開(kāi)發(fā)的僅僅是通過(guò)簡(jiǎn)單的串口協(xié)議跟藍(lán)牙模塊就能夠?qū)悠饋?lái)。類似下邊這張圖的左半部分所展示的這樣：

關(guān)于這種開(kāi)發(fā)方式，是 “MCU低代碼開(kāi)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(cè)SDK移植

在涂鴉的IoT云平臺(tái)上創(chuàng)建了對(duì)應(yīng)的智能單品后，云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的MCU側(cè)參考SDK，這個(gè)SDK中將對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的功能屬性、物模型數(shù)據(jù)都固話在里面了，并且SDK內(nèi)部已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)了MCU和藍(lán)牙模組的對(duì)接，當(dāng)收到藍(lán)牙模組的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行處理。

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

這時(shí)，通過(guò)SDK包中的mcu_api.h的接口就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)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(chǔ)外設(shè)

按鍵觸發(fā)

為了簡(jiǎn)單處理，本項(xiàng)目中采用的簡(jiǎn)單的GPIO實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)按鍵的功能；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)單個(gè)按鍵短按和長(zhǎng)按的對(duì)應(yīng)不同的功能，在按鍵處理代碼中，增加了按鍵狀態(tài)機(jī)的處理模型，有效地區(qū)分按鍵短按和長(zhǎng)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(xiàng)目采用的是GPIO軟件模擬I2C洗衣的方式，通過(guò)對(duì)不同寄存器的讀寫(xiě)封裝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)OLED區(qū)域的顯示；同時(shí)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(hào)，極大地方便了顯示的多樣性。

溫度傳感器測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集，經(jīng)過(guò)合理的轉(zhuǎn)換運(yùn)算后，得到一個(gè)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(cè)水容量

壓力傳感器用于檢測(cè)水的容量，這是一個(gè)間接的測(cè)量方法，先通過(guò)壓力（重力）傳感器測(cè)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(cè)量中，將取得的重量數(shù)據(jù)對(duì)照水容量表格，大致可以得出對(duì)應(yīng)的水容量，從而做水量的數(shù)據(jù)展示。

RTC本地時(shí)鐘

RTC時(shí)鐘，采用的是自定義的串行數(shù)據(jù)協(xié)議，通過(guò)RST、IO、SCK三線的變化，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)RTC時(shí)鐘的讀和寫(xiě)；同時(shí)該模塊是采用紐扣電池長(zhǎng)供電的，所以可以長(zhǎng)時(shí)間保持時(shí)鐘的有效性。

電池電量檢測(cè)

本產(chǎn)品由鋰電池或干錳電池供電，借助MCU側(cè)自帶的ADC通道，可以很快地測(cè)出供電電壓。由于STC12C5A60S2的ADC內(nèi)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(gè)參考電壓，然后根據(jù)等比關(guān)系計(jì)算出供電電壓VCC。

比如外部參考電壓是V1 = 1.0V，對(duì)應(yīng)這路ADC測(cè)量的電壓值為V11；而另一路ADC測(cè)量出來(lái)的電壓值為V12。他們與VCC的等比關(guān)系是：VCC / V12 = V1 / V11

由此可計(jì)算出：VCC = V1 * V12 / V11

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

基礎(chǔ)的應(yīng)用邏輯

這里的基礎(chǔ)應(yīng)用邏輯有包括以下幾點(diǎn)：

-設(shè)備復(fù)位和設(shè)備配網(wǎng)：當(dāng)按鍵長(zhǎng)按3秒以上時(shí)，則觸發(fā)藍(lán)牙設(shè)備的解綁，所有本地?cái)?shù)據(jù)都講復(fù)位到默認(rèn)值，同時(shí)藍(lán)牙設(shè)備再次發(fā)起廣播，等到手機(jī)APP的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，以及發(fā)起后續(xù)的設(shè)備配網(wǎng)操作。

-飲水提醒： 當(dāng)手機(jī)APP端下發(fā)的飲水提醒時(shí)間已到，則整個(gè)OLED屏幕開(kāi)始1秒鐘開(kāi)滅一次，直到檢測(cè)到一次新的喝水動(dòng)作。

-飲水動(dòng)作的檢測(cè)：當(dāng)水杯水容量，前后的變化銳減20ml以上，則認(rèn)為是一次有效的喝水動(dòng)作，此時(shí)已喝水量會(huì)增加對(duì)應(yīng)的喝水量，同時(shí)喝水次數(shù)會(huì)加1，且會(huì)上報(bào)一次全量數(shù)據(jù)。

-本地?cái)?shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)：本地的數(shù)據(jù)，每個(gè)5秒鐘會(huì)觸發(fā)上報(bào)，同時(shí)觀察手機(jī)APP，即可看到數(shù)據(jù)的變化。

-藍(lán)牙連接狀態(tài)顯示：藍(lán)牙有3種狀態(tài)，0狀態(tài)對(duì)應(yīng)的是設(shè)備未綁定，此時(shí)藍(lán)牙圖標(biāo)每秒鐘閃爍一次；1狀態(tài)對(duì)應(yīng)已綁定但未連接手機(jī)，此時(shí)藍(lán)牙圖標(biāo)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(cè)試藍(lán)牙圖標(biāo)常態(tài)化一直顯示。

代碼開(kāi)源

本產(chǎn)品的相關(guān)代碼已開(kāi)源，感興趣可以聯(lián)系我們。

2.3 功能調(diào)試

模擬調(diào)試

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

這個(gè)助手很好地解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期的快速落地驗(yàn)證和原型規(guī)劃，也極大地方便了在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到數(shù)據(jù)通訊問(wèn)題時(shí)的調(diào)試手段，可以比較快地定位和解決問(wèn)題。

關(guān)于模組調(diào)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(shè)備調(diào)試

有了模擬調(diào)試的基礎(chǔ)之后，就可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)行真實(shí)設(shè)備的功能調(diào)試，這里采用的方式也是先從本地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入手，先把本地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)通，比如水溫的探測(cè)、飲水量的檢測(cè)、杯中水量的探測(cè)等等。

聯(lián)網(wǎng)調(diào)試

這里主要驗(yàn)證智能水杯的聯(lián)網(wǎng)功能，包括與 智能生活A(yù)PP的發(fā)現(xiàn)配對(duì)、連接，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的上下行對(duì)接，智能場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)等核心功能調(diào)試。

產(chǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的智能單品，但是，從最早的產(chǎn)品孵化再到產(chǎn)品原型的設(shè)計(jì)，再到IoT云平臺(tái)、硬件模塊的選型，然后進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)、功能調(diào)試，這一系列的內(nèi)容也是需要經(jīng)過(guò)不斷地思考和打磨，方可把這個(gè)智能化產(chǎn)品真的的落地。

這段開(kāi)發(fā)經(jīng)歷來(lái)說(shuō)，最大的收獲并不是說(shuō)把幾個(gè)智能化的核心功能給實(shí)現(xiàn)了，反倒是這個(gè)智能單品的開(kāi)發(fā)全流程能學(xué)習(xí)到了不少技術(shù)以外的內(nèi)容，這些對(duì)于深入理解IoT領(lǐng)域提供了極大的幫助，也相信將來(lái)會(huì)有更多優(yōu)秀的智能單品從這里誕生。