一种多功能智能水杯及其健康管理系统的制作方法

本发明涉及智能生活用品技术领域，特别涉及一种多功能智能水杯及其健康管理系统。

背景技术：

水杯是人们常用的日常生活用品，主要是用来盛装液体，包括各种各样的饮料，随着人们需要的多样化，对水杯的功能也提出了多种多样的要求，如在杯体上设置手把，从而有很好的防烫伤效果；如设置杯盖，能使装在内部的水等液体延缓散热，以达到保温的目的；在材料上可以是塑料、陶瓷或不锈钢等等。随着智能化技术的发展，水杯的功能也得到不断地拓展：

公告号为CN204708519U的中国发明公开了一种可以监测水温的智能水杯，包括杯盖和杯身，所述杯盖和所述杯身相连，所述杯盖包括杯盖紧固结构架、保温塞、储物槽、保温塞锁定钩和储物槽密封盖，所述杯身包括杯身结构架、杯口紧固圈、杯身保温层、水杯内胆、防烫环、温度感应器、LED彩色显示屏、显示屏保护壳和显示屏保护壳滑动轨道。

公告号为CN105231758A的中国发明专利公开了一种感应式制冷制热智能水杯，包括：第一无线接收单元、第二无线接收单元、第一感应单元、第二感应单元、制热单元、第一温度传感器、制冷单元、第二温度传感器，以及带有存储器的处理器；其中制冷和制热功能分别由制冷单元和制热单元实现。本发明提升了使用者制备热水或冷水的用户体验，并通过百叶门的结构节省了电力。

但是，现有的多种多样智能水杯，仅仅是能够检测或者控制杯体内的温度，获取水量等液体参数，缺乏对于水杯内的液体类别进行有效识别，对于液体的营养成份进行有效地分析，用户不能够实时感知所饮用的饮品状态，另外，对于人体是否缺水，也是无法获知，这样使得很多现有地智能水杯具有的饮水计划提醒功能，缺乏针对性，仅仅是根据现有的一些研究方案针对大多数用户的统计结果，并不能够完全根据个人的饮品习惯给出有针对性的指导方案，比如有人喜欢喝茶、牛奶、咖啡、果汁等等，每个人都具有不同的日常生活习惯，使得现有的智能水杯在健康指导方面体验不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种多功能智能水杯及其健康管理系统，能够自动识别并分析水杯内的液体类型，从而能够准确地获得用户饮品状态，引导用户形成一种健康合理的生活习惯。

为了解决上述技术问题，具体地，本发明提供了如下技术方案：

一种多功能智能水杯，包括杯体、内胆、杯盖以及底壳，所述内胆设置在所述杯体内，在所述内胆的外侧壁设置有水位检测传感器，所述内胆底部设置有光谱检测装置和水质检测柱，所述水质检测柱上安装有温度传感器和TDS水质检测器；所述光谱检测装置设置在一光谱检测安装座中，包括滤镜、检测光源以及光谱采集传感器，所述内胆底部设置有防水固定片，所述水质检测柱穿出所述防水固定片，所述防水固定片上还设置有滤镜接触窗，所述滤镜贴合所述滤镜接触窗设置，所述检测光源和所述光谱采集传感器分别设置在所述滤镜的两侧；所述水位检测传感器、所述温度传感器、所述TDS水质检测器以及所述光谱采集传感器与设置在所述内胆和所述底壳之间的主控电路板电性连接；通过所述水位检测传感器、所述温度传感器、所述TDS水质检测器以及所述光谱检测装置，实时或者按照一定的时间周期获得水杯内的水量、温度、TDS值以及液体反射的光谱数据，所述主控电路板上的无线通信装置将所述水量、温度、TDS值以及光谱数据传输到智能移动终端和云端服务器。智能移动终端设置有APP客户端，能够建立客户档案，存储用户的智能水杯内的液体参数，记录用户的饮水量等等，云端服务器通过接收这些液体参数，通过光谱数据对照云端服务器的液体光谱标准，识别液体类型，从而生成饮品指导方案，推送到APP客户端，实现对用户的健康指导。

进一步的，所述多功能智能水杯还包括人体水分检测装置，所述人体水分检测装置包括信号激励单元、阻抗测量单元以及至少一组检测电极片，所述人体水分检测装置设置在所述底壳内，所述信号激励单元和所述阻抗测量单元与所述主控电路板电性连接，所述检测电极片设置在所述底壳外壁。使用时，人的手或者其他部分接触检测电极片，电路导通，从而测量此时测量人体组织的电阻抗，将电阻抗数据通过无线通信装置传送到云端服务器，通过一段时间的统计分析，综合判断用户的人体水分参数，从而修正饮品指导方案。

进一步的，所述检测光源包括多个单色LED光源，通过所述主控电路板控制并发出对应特定营养元素的特定波长光源，获得特定营养元素所对应的元素光谱数据并传送到所述云端服务器，所述云端服务器根据所述元素光谱数据分析获得水杯内液体的各种营养元素含量数据。

进一步的，所述杯体的一侧还设置有液晶显示屏和饮水量指示灯，以及所述底壳内还设置有扬声器，所述液晶显示屏、所述饮水量指示灯以及所述扬声器与所述主控电路板电性连接。结合水位检测传感器以及饮水量指示灯，能够实时显示用户的饮水量，通过液晶显示屏能够实时显示杯内的液体参数，如温度、水量、TDS值以及液体类型等。

进一步的，所述主控电路板通过一电路板支撑座安装在所述底壳内，位于所述光谱检测安装座下方；所述主控电路板设置有微处理器，所述微处理器与一驱动电源电性连接。

进一步的，所述驱动电源是充电电池，所述充电电池设置在所述主控电路板下方，位于所述电路板支撑座之间；所述充电电池通过一充电电源板与设置在所述底壳内的正负极充电片连接，所述正负极充电片的感应线圈与无线充电器的感应线圈耦合。

进一步的，所述内胆上部与所述杯体连接处设置有内胆防震硅胶圈，所述内胆底部设置有防水固定件；所述底壳与所述杯体连接部设置有底壳防水硅胶圈，所述底壳的底部设置有防滑硅胶垫。

进一步的，所述杯盖包括杯盖体和杯盖防水片，所述杯盖防水片设置在所述杯盖体内，所述杯盖防水片与所述内胆的上端配合。

基于同一发明构想，利用上述多功能智能水杯，本发明还提供了一种基于所述智能水杯的健康管理系统，包括移动终端、云端服务器以及至少一个所述智能水杯，所述智能水杯用于获得水杯内液体的温度、水量、TDS值、光谱数据以及电阻抗数据，将所述液体的温度、水量、TDS值、光谱数据和所述人体水分数据同时传输到所述移动终端和所述云端服务器，所述云端服务器用于根据所述光谱数据分析获得水杯内液体的液体类型、营养元素，根据所述电阻抗数据分析获得人体组织水分数据，并生成饮品指导方案；所述移动终端用于接收所述云端服务器的所述液体类型、所述营养元素数据以及所述饮品指导方案。

进一步的，通过所述智能水杯上的扬声器和液晶显示屏，向用户发出液体类型、水量提示信息；所述移动终端通过所述无线通信装置设置所述智能水杯的参数。

采用上述技术方案，通过在智能水杯内设置水量、TDS值、水温等检测传感器，并且设置在光谱检测装置，能够快速地识别杯内的液体类型和液体的营养元素含量，另外，还通过设置在底壳位置的人体水分检测装置，能够长期跟踪用户的身体组织是否缺水，通过全面地液体参数采集、用户长期营养摄入情况以及用户的身体组织水分含量，能够根据每一个用户的生活习惯，准确地获得一定时间周期内饮料的摄入情况，根据人体健康指标，分析获得用户的最佳饮品指导方案，引导用户形成健康的生活方式。

附图说明

图1为本发明的多功能智能水杯剖视结构图；

图2为本发明的多功能智能水杯主视结构图；

图3为本发明的光谱检测装置原理结构图；

图4为本发明的多功能智能水杯控制系统结构框图；

图5为本发明的人体水分检测装置系统结构框图；

图6为本发明的健康管理系统结构框图。

图中，10-杯体，20-杯盖，30-底壳，40-内胆，11-内胆防震硅胶圈，12-水位检测传感器，13-水质检测柱，14-防水固定片，15-光谱检测装置，16-滤镜防水圈，17-光谱检测安装座，18-检测固定件，19-防水固定件，120-主控电路板，121-充电电池，122-电路板支撑座，123-扬声器，124-人体水分检测装置，125-液晶显示屏，126-饮水量指示灯，127-显示屏保护件；21-杯盖体，22-杯盖防水片，23-顶部保护件，24-圆周保护件；31-防滑硅胶垫，32-正负极充电片，33-底壳防水硅胶圈，34-充电电源板，35-检测窗口；1241-检测电极片，141-滤镜接触窗，151-滤镜，152-滤镜安装座，153-检测光源，154-光谱采集传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2、4所示，一种多功能智能水杯，包括杯体10、内胆40、杯盖20以及底壳30，所述内胆40设置在所述杯体10内，在所述内胆40的外侧壁设置有水位检测传感器12，所述内胆40底部设置有光谱检测装置15和水质检测柱13，所述水质检测柱13上安装有温度传感器和TDS水质检测器；所述光谱检测装置15设置在一光谱检测安装座17中，包括滤镜151、检测光源153以及光谱采集传感器154，所述内胆40底部设置有防水固定片14，所述水质检测柱13穿出所述防水固定片14，所述防水固定片14上还设置有滤镜接触窗141，所述滤镜151贴合所述滤镜接触窗141设置，所述检测光源153和所述光谱采集传感器154分别设置在所述滤镜151的两侧；所述水位检测传感器12、所述温度传感器、所述TDS水质检测器以及所述光谱采集传感器154与设置在所述内胆40和所述底壳30之间的主控电路板120电性连接；通过所述水位检测传感器12、所述温度传感器、所述TDS水质检测器以及所述光谱检测装置15，实时或者按照一定的时间周期获得水杯内的水量、温度、TDS值以及液体反射的光谱数据，所述主控电路板120上的无线通信装置将所述水量、温度、TDS值以及光谱数据传输到智能移动终端和云端服务器。智能移动终端设置有APP客户端，能够建立客户档案，存储用户的智能水杯内的液体参数，记录用户的饮水量等等，云端服务器通过接收这些液体参数，通过光谱数据对照云端服务器的液体光谱标准，识别液体类型，从而生成饮品指导方案，推送到APP客户端，实现对用户的健康指导。

光谱检测装置15的原理如下：

将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律A＝-lg I/I₀＝-lgT＝KCL式中I为透射光强度，I₀为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A＝KC。物理原理为：任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级(E₀＝0)，其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10^-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。

理论上，每一种液体都是由水分、碳水化合物、蛋白质以及多种营养元素组成的，每一种的液体均对应有不同的光谱图，通过在云端服务器存储常见的各种饮料的光谱图，然后通过智能水杯实时获得水杯内的液体光谱图，与云端服务器预先存储的光谱图进行对比，从而能够快速地识别杯内的液体类型，如水、牛奶、果汁、咖啡、茶等主要饮料。

其中，所述检测光:151包括多个单色LED光源，通过所述主控电路板120控制并发出对应特定营养元素的特定波长光源，获得特定营养元素所对应的元素光谱数据并传送到所述云端服务器，所述云端服务器根据所述元素光谱数据分析获得水杯内液体的各种营养元素含量数据。

为了检测杯内液体的营养元素含量，针对特定的营养元素含量，需要特定的波长的光源获得特定元素光谱图，从而分析获得各种营养元素含量，现有的光谱分析一般采用单一波长的激光光源，能够准确地获得各种元素的含量，单一波长的激光光源结构复杂，体积较大，而且成本高，LED光源可以形成LED阵列，体积小，而且成本低廉，能够集成设置在智能水杯内；单一颜色的LED光源的波长变化小，能够大致满足营养元素检测的需要，通过微处理器控制检测光源151，依次开启各种单一颜色的LED，从而获得不同波长条件下的光谱图数据，通过云端服务器能够大致判断每一种营养元素含量的区间。如表1所示，给出了主要元素所对应的光源波长。

表1

关于TDS值，一般情况下，水体的TDS值小于50是纯水；自来水的TDS值在1000以下，最适合饮用的TDS值为300；因此，通过TDS值检测能够准确地区分纯水还是自来水等。

其中，光谱采集传感器154是CCD探测器，CCD探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探测紫外、可见和近红外光。因为它是高感光度半导体器件，适合分析微弱的拉曼信号，再加之CCD探测器允许进行多通道操作(可以在一次采集中探测到整段光谱)，所以很适合用来检测拉曼信号。CCD探测器一般是一维(线状)或二维(面状)的阵列，阵列由成千上万个独立的探测器元素组成(也称为像元)。每个元素受到光的作用产生电荷——光越强，作用时间越长，产生的电荷越多。最终，读出电子元件把电荷从像元中引出，从而每个电荷都被读出测量。在普通的拉曼光谱仪中，拉曼散射首先通过衍射光栅色散，然后投射到CCD阵列的长轴上，第一个像元探测到光谱低波数起始信号，第二个像元探测到下一个光谱位置的信号，依此类推，最后一个像元将探测到光谱高波数终端信号。

其中，杯体10是陶瓷材料、金属板材形成的真空腔体结构，或者金属板材之间填充隔热材料形成的复合隔热层结构。

优选地，所无线通信装置是蓝牙通信模块、无线RF通信模块、Wi-Fi通信模块任意一种。优选为蓝牙4.0通信模块，实现与移动终端的数据通信，可以通过移动终端与云端服务器连接，也可以直接与云端服务器连接。

优选地，所述水位检测传感器12是贴合在所述内胆外壁的导电薄膜。

如图5所示，所述多功能智能水杯还包括人体水分检测装置124，所述人体水分检测装置124包括信号激励单元、阻抗测量单元以及至少一组检测电极片，所述人体水分检测装置124设置在所述底壳30内，所述信号激励单元和所述阻抗测量单元与所述主控电路板120电性连接，所述检测电极片1241设置在所述底壳30外壁。使用时，人的手或者其他部分接触检测电极片1241，电路导通，从而测量此时测量人体组织的电阻抗，将电阻抗数据通过无线通信装置传送到云端服务器，通过一段时间的统计分析，综合判断用户的人体水分参数，从而修正饮品指导方案。

测量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息。本发明中采用脉冲式检测方法获得人体电阻抗值，利用脉冲信号中所含有的多谐波频率成分，能够比正弦波信号激励提供更多的信息，并拥有更快的响应速度。检测电极片1241可以设置在底壳30的外壁，也可以设置在底壳30内，通过在底壳30上开设一检测窗口35，用户将手指伸入到检测窗口35内，与检测电极片1241接触，从而实现电阻抗的测量。

其中，所述杯体10的一侧还设置有液晶显示屏125和饮水量指示灯126，以及所述底壳30内还设置有扬声器123，所述液晶显示屏125、所述饮水量指示灯126以及所述扬声器123与所述主控电路板120电性连接。结合水位检测传感器12以及饮水量指示灯126，能够实时显示用户的饮水量，通过液晶显示屏125能够实时显示杯内的液体参数，如温度、水量、TDS值以及液体类型等。液晶显示屏125外侧还设置有显示屏保护件127。

其中，所述主控电路板120通过一电路板支撑座122安装在所述底壳30内，位于所述光谱检测安装座17下方；所述主控电路板120设置有微处理器，所述微处理器与一驱动电源电性连接。

其中，所述驱动电源是充电电池121，所述充电电池121设置在所述主控电路板120下方，位于所述电路板支撑座122之间；所述充电电池121通过一充电电源板34与设置在所述底壳30内的正负极充电片32连接，所述正负极充电片32的感应线圈与无线充电器(未示出)的感应线圈耦合。

其中，所述内胆40上部与所述杯体10连接处设置有内胆防震硅胶圈11，所述内胆40底部设置有防水固定件19；所述底壳30与所述杯体10连接部设置有底壳防水硅胶圈33，所述底壳30的底部设置有防滑硅胶垫31。

其中，所述杯盖20包括杯盖体21和杯盖防水片22，所述杯盖防水片222设置在所述杯盖体21内，所述杯盖防水片22与所述内胆10的上端配合。杯盖体21上端设置有顶部保护件23，在杯盖体21的侧壁设置有圆周保护件24。

其中，滤镜151安装在一滤镜安装座152内，滤镜安装座152通过一检测固定件18固定，滤镜151与防水固定片14之间设置有滤镜防水圈16，如图3所示，检测光源151发出的光通过滤镜151射向杯内，在滤镜151与液体的分界面上发生反射和折射，反射光被光谱采集传感器154接收，获得光谱图像数据。

其中，所述主控电路板120上还集成设置有饮水动作识别装置，所述饮水动作识别装置主要包括重力传感器、特征提取单元以及饮水识别单元，所述重力传感器用于获得用户饮水动作时的加速度变化参数；特征提取单元，用于处理并分析加速度变化参数，获得用户饮水的特征，建立基准模型并存储；饮水识别单元，用于将重力传感器实时获得加速度变化参数与存储的基准模型进行对比，识别用户饮水动作。因为智能水杯的空间位置不断地变化，如倒水、携带、洗刷，为了能够准确地获得用户的饮水量，需要结合判断用户是否在饮水，从而修正水位检测传感器的检测参数。重力传感器(G-Sensor)又称为加速度传感器，用来感知加速度的变化，它使用三维方向的加速度分量来表示。G-Sensor被用在很多智能设备当中，比如IBM的高端笔记本电脑内置了G-Sensor，在发生剧烈的拉动时(如跌落)，立即启动硬盘保护，避免硬盘损害。再如Apple的iPhone使用G-Sensor来感知手机屏幕的方向，当在观看视频时手机横放，屏幕自动跟着旋转，这使得用户体验大大增加。

基于同一发明构想，如图6所示，利用上述多功能智能水杯，本发明还提供了一种基于所述智能水杯的健康管理系统，包括移动终端、云端服务器以及至少一个所述智能水杯，所述智能水杯用于获得水杯内液体的温度、水量、TDS值、光谱数据以及电阻抗数据，将所述液体的温度、水量、TDS值、光谱数据和所述人体水分数据同时传输到所述移动终端和所述云端服务器，所述云端服务器用于根据所述光谱数据分析获得水杯内液体的液体类型、营养元素，根据所述电阻抗数据分析获得人体组织水分数据，并生成饮品指导方案；所述移动终端用于接收所述云端服务器的所述液体类型、所述营养元素数据以及所述饮品指导方案。

其中，通过所述智能水杯上的扬声器和液晶显示屏，向用户发出液体类型、水量提示信息；所述移动终端通过所述无线通信装置设置所述智能水杯的参数。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。