一种能无线控制烧水的智能牙刷系统的制作方法

本实用新型涉及一种能无线控制烧水的智能牙刷系统，属于家居智能化技术领域。

背景技术：

近些年来，随着社会经济的发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的人关注健康的生活习惯，人们希望通过健康的生活习惯来增强体质、预防疾病。其中，早餐前喝一杯温水能够补充晚上身体代谢所失去的水分，刺激肠胃的蠕动以防止便秘，稀释血液并降低血液浓稠度，提升血液的循环，避免心血管疾病的发生，还能够让人的大脑迅速清醒。由于饮水机的消费较高，且桶装水开封后若没有及时饮用容易滋生细菌，所以，大部分家庭都是使用电热水壶烧水。然而生活节奏的加快，在早上尤其是工作日，由于时间紧凑以及手动烧水不方便等原因，经常会出现没有及时烧水的问题，导致早餐前喝温水变得十分麻烦。目前，电热水壶的功能不断丰富，除了烧水这一基本功能外，已经陆续添加了保温、过滤等功能，部分电热水壶产品还增加了烧茶、煮咖啡等功能。同时，为了方便人们使用，也有机构将GSM、Wi-Fi等技术应用在无线控制烧水方面。英国的家电公司Firebox推出了世界第一款利用Wi-Fi控制的电热水壶——iKettle，这款电热水壶有壶和底座两个部分组成。它有一个具有四档温度调节与保温功能的智能底座，并且内置了WIFI无线连接模块，用户连接Wi-Fi后能够使用专用的手机应用程序来远程控制它。同时，手机上的APP能够设定一个闹钟，在督促用户起床的同时自动烧水。但是Wi-Fi的成本过高，不适合应用在小家电上，且手机闹钟有贪睡模式，若是用户没有及时起床，闹钟再次响铃，便会导致电热水壶多次烧水，这不仅会浪费电能，而且用户饮用反复烧开的水对人体健康会产生不利影响。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是传统的电热水壶烧水需要采用手动操作方式，为了解决因早上时间紧凑，人们没有及时使用电热水壶烧水而影响早餐前喝热水与用热水等问题，提出了一种能无线控制烧水的智能牙刷系统。

本实用新型具体由以下技术方案实现:

本实用新型提出了一种能无线控制烧水的智能牙刷系统，包括牙刷控制区、电热水壶底座控制区；所述牙刷控制区与电热水壶底座控制区通过无线通信进行连接；所述牙刷控制区包括ZigBee终端节点及其内嵌的第一主控单片机、湿度传感器、语音合成器；所述湿度传感器的输出端与第一主控单片机的输入端连接；所述第一主控单片机的输出端与语音合成器的输入端连接；所述电热水壶底座控制区包括ZigBee协调器及其内嵌的第二主控单片机、压力传感器、继电器、定时器；所述压力传感器的输出端与第二主控单片机的输入端连接；所述定时器的输出端与第二主控单片机的输入端连接；所述第二主控单片机的输出端与继电器的输入端连接。

作为本实用新型的优选技术方案：所述ZigBee协调器与ZigBee终端节点通过ZigBee无线通信协议进行连接。

作为本实用新型的优选技术方案：所述湿度传感器为DHT11型号的湿度传感器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述语音合成器为SYN6288型号的语音合成器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述压力传感器为电阻式压力传感器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述定时器为DS1302型号的定时器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述智能牙刷系统还包括电源；所述电源包括220V交流电源、3.7V锂电池电源；所述220V交流电源用于为电热水壶底座控制区供电；所述3.7V锂电池电源用于为牙刷控制区供电。

本实用新型所述一种能无线控制烧水的智能牙刷系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）该系统利用用户刷牙这一习惯，使电热水壶自动智能烧水，不需要用户主动发送指令，解决了人们因早上时间紧凑而没有及时烧水进而影响早餐前喝水与用热水的问题；同时，用户早上洗漱的时间刚好能够烧开一壶水，这样不仅节约用户的时间，而且保障用户喝热水与用热水的需求，有利于培养用户良好的生活习惯。

（2）该系统利用压力传感器检测电热水壶内的水量情况，当电热水壶内缺水时，牙刷发出语音来提醒用户加水，避免电热水壶因缺水而干烧的问题；由于牙刷长期处于潮湿环境，本系统能够检测其内部湿度，在超标时提醒用户，避免电子器件因潮湿而损坏。

附图说明

图1是本实用新型的硬件结构框图；

图2是本实用新型的牙刷控制区电源电路图；

图3是本实用新型的电热水壶底座控区电源电路图；

图4是本实用新型的ZigBee终端节点模块电路图；

图5是本实用新型的ZigBee协调器模块电路图；

图6是本实用新型的湿度传感器模块电路图；

图7是本实用新型的压力传感器模块电路图；

图8是本实用新型的语音模块电路图；

图9是本实用新型的定时模块电路图；

图10是本实用新型的继电器模块电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型设计了一种能无线控制烧水的智能牙刷系统，分为牙刷控制区与电热水壶底座控制区。其中，牙刷控制区包含ZigBee终端节点模块、湿度传感器和语音模块；电热水壶底座控制区包含ZigBee协调器模块、压力传感器、继电器和定时模块。牙刷控制区以ZigBee终端节点模块为核心，安装有语音模块与湿度传感器。在用户按下智能牙刷开关使用牙刷时，该牙刷控制区会发送烧水信号给电热水壶，若收到电热水壶传回缺水的信号时，控制语音模块工作；语音模块采用中文语音合成芯片，用来播放语音“电热水壶需要加水”提醒用户加水；湿度传感器用来检测牙刷内部湿度，在超标时亮灯提醒用户，避免电子器件因潮湿损坏。电热水壶底座控制区以ZigBee协调器模块为核心，设置了定时模块、压力传感器模块与继电器模块。电热水壶底座控制区在收到牙刷发来烧水的信号时，先通过压力传感器判断电热水壶内是否有水，若电热水壶缺水，为避免干烧将缺水信息通过ZigBee网络发送给ZigBee终端节点；定时模块通过设定时间来避免电热水壶在用户晚上刷牙时误烧水；继电器作为开关能够控制电热水壶烧水，当压力传感器检测出电热水壶内装满水时，继电器控制电热水壶通电烧水。电源模块给整个系统供电，根据实际应用需求，牙刷控制区采用3.7V锂电池供电，电热水壶底座控制区采用220V交流电供电。电源模块用来保证系统的各个模块正常工作，稳定运行。

如图2所示，为本实用新型的牙刷控制区电源电路图。该电路由3.7 V锂电池BT供电，开关K1控制电源电路的通断，在降压芯片AMS1117-3.3的IN引脚输入3.7V电压，就可以直接在OUT端输出3.3V的电压。C1与C2为10uF的滤波电容，分别接在AMS1117-3.3降压芯片的输入输出端与地之间，保证了电路输出电压的稳定。

如图3所示，为本实用新型的电热水壶底座控制区电源电路图。该电源电路将220V交流电通过电源变压器T1变压，再用D1-D4整流二极管将9V的交流降压电流转换为直流电，并经过C3电容滤波后送入三端稳压集成电路LM7805稳压，在输出端接电容C4和C5进一步滤波，接上负载电阻R1使输出接近5V，5V直流电再通过降压芯片AMS1117-3.3转为3.3V输出。

如图4所示，为本实用新型的ZigBee终端节点模块电路图。ZigBee终端节点模块电路在本系统中的功能主要是在用户按下开关使用牙刷时，ZigBee终端节点通过ZigBee网络向安装在电热水壶底座的ZigBee协调器发送烧水的信号；并能够接收协调器返回的电热水壶缺水的信号。ZigBee终端节点模块电路由CC2530芯片、电源电路、晶振电路、无线收发电路、复位电路、LED电路等组成。CC2530芯片一共有3组可编程的I/O口,分别是P0_0至P0_7，P1_0至P1_7以及P2_0至P2_4。这些I/O口即可作为一般I/O口使用，也可设置为外围I/O口使用。电源电路中，AVDD1至AVDD6为模拟电源引脚，DVDD1与DVDD2为数字电源引脚，它们在连接了电容、电感后再与3.3V电源相连。晶振电路中，P2_4、P2_3引脚外接频率为32.768KHz的晶振，XOSC32M_Q1、XOSC32M_Q2引脚外接频率为32MHz的晶振，在两个晶振设计中，每个晶振都与两个电容组成电容三点式振荡电路。32.768KHz的晶振X2与C19、C20相接，该晶振给系统所需的时间精度提供了稳定的时钟信号；32MHz的晶振X1与C18、C17相连，该晶振作为数据收发的参考时钟。无线收发电路主要实现发送与接收数据的功能，RF_P、RF_N引脚接滤波电容，电感后，外接杆状天线，天线接口为ANTENNA。复位电路用于重启模块，本系统中按键K1的一端接地，另一端接负载电阻再与CC2530的RESET引脚相连，按下开关即可对电路手动复位。LED电路用来指示网络连接状态与电源指示灯，发光二极管CSN的正极通过470Ω的负载电阻与电源相连，负极接地，与CC2530的P1_4引脚相连。

如图5所示，为本实用新型的ZigBee协调器模块电路图。ZigBee协调器模块在本系统中的功能主要是创建网络并接收牙刷ZigBee终端节点发来的烧水信号，在检测到电热水壶内缺水时向牙刷上的ZigBee终端节点发送缺水的信号。该电路包含CC2530芯片、电源电路、晶振电路、无线收发电路、复位电路和LED电路等。

如图6所示，为本实用新型的湿度传感器模块电路图。本系统选用DHT11温湿度传感器来检测牙刷内部潮湿程度。DHT11传感器使用的是单线制串行接口，由于系统集成，因此该传感器使用简易方便。DHT11传感器的连线方法很简单：NC脚悬空，DATA作为数据传输端口，直接连接ZigBee终端节点模块的P0_7引脚，在连接线小于20m时用5K的上拉电阻R2，在主机发送开始信号后，由R2将总线抬高至高电平，等待外部的响应信号。

如图7所示，为本实用新型的压力传感器模块电路图。RP-C电阻式压力传感器是电阻值随着施加在感应区上的压力增大而减小的柔性薄膜传感器，能够用在压力处于0-10kg的环境。它是一款小体积、超薄型的电阻式压力传感器，应用范围极其广泛。本实用新型将它安装在电热水壶底座，用来检测电热水壶内是否有水。压力传感器模块具有两种输出分别是DO数字信号输出与AO模拟信号输出，本系统采用DO输出，当压力超过阈值，输出低电平。该电路由分压电路、电压比较器以及指示灯电路三部分组成。分压电路由压力传感器N1串联一个10K的固定电阻R3组成，在分压点与3脚连接时需要给N1并联一个C21滤波电容；LM393是电压比较器集成电路芯片，没有压力时N1电阻值很大，此时电压升高，3脚电压大于2脚电压，1脚向ZigBee协调器模块的P0_6引脚输入高电平。反之，1脚向ZigBee协调器模块的P0_6引脚输入低电平。接在LM393芯片的2脚的滑动变阻器R4用来改变该端的电压，用于压力灵敏度的调节；电源指示灯电路由LED4灯与负载电阻R6组成；阈值状态指示灯由LED3与负载电阻R5组成，在LM393芯片的1脚输出低电平时亮灯，代表感应到压力。

如图8所示，为本实用新型的语音模块电路图。本系统的语音模块是使用宇音天下的SYN6288芯片，SYN6288是一种中文语音合成芯片，通过异步串口（UART）通信方式，接收单片机传来的需要合成发声的文本数据，完成文本转换为语音的功能。在本系统中，当用户刷牙时，若ZigBee终端节点模块接收到ZigBee协调器发回的电热水壶内缺水的信息时，会控制语音模块发出设定好的语音“电热水壶需要加水”提醒用户及时加水。SYN6288芯片共有6组外接电源，每组电源都用到一个0.1uF的电容，为降低成本只在VDDPP与CVDD两组电源各自加上一个47uF的电容。工作指示灯电路由R13与LED3组成，在空闲状态下亮灯；4引脚READY/BUSY表示其工作状态，在它合成并发出声音的过程中，READY/BUSY输出高电平，LED3熄灭，合成完毕时，READY/BUSY输出低电平，LED3亮灯；9、11引脚的BPO、BNO引脚可以外接扬声器SPEAKER进行声音播报；XIN、XOUT引脚外接16MHz的晶振Y1给系统提供基本的时钟信号；由于单片机发送给SYN6288的串口通信数据必须是反相的，所以28引脚的RXD外接反向器再接ZigBee终端节点模块的P0_3引脚，反向器由电阻R10、R11、R12以及一个NPN8050三级管构成，27引脚的TXD接ZigBee终端节点模块的P0_2引脚，RXD、TXD用来作为串口数据的接收和发送。

如图9所示，为本实用新型的定时模块电路图。定时模块电路是在电热水壶内水量足够的情况下，给单片机提供正确的时间，使电热水壶只能在规定时间内烧水。时钟芯片采用的是DALLAS推出的DS1302，它能够提供秒、分、时至年的时间，与单片机之间的通信是采用简单同步串行的方式，只需简单的三线接口。双电源管脚用于主电源和备份电源的供应，1引脚VCC2为主电源，VCC1为备份电源由电池BT2供电，在主电源关闭的情况下，也能保证模块的正常运行，避免因断电等问题，导致电热水壶底座控制区判断的时间不准确；X1、X2引脚连接32.768kHz的晶振Y1；CE是复位/片选线接ZigBee协调器模块的P1_2脚，通过向CE输入高电平来启动所有的数据传送；SCLK为串行时钟脚接ZigBee协调器模块的P2_0脚，在上升沿时数据输入，下降沿时数据输出；I/O为串行数据双向传输脚接ZigBee协调器模块的P1_3脚。

如图10所示，为本实用新型的继电器模块电路图。本系统采用继电器作为电热水壶通电烧水的开关，当电热水壶内有水并接收到智能牙刷发来烧水的信号时，继电器启动电热水壶烧水。由于ZigBee模块的I/O口提供的电流不能够使继电器正常工作，为了将电流放大，需要连接NPN三极管。NPN三极管的发射极与继电器模块的3引脚相连，NPN的基极连接一个1K的电阻R1后与ZigBee协调器模块的P0_1引脚相连，NPN的发射极与地相连。继电器为低电平触发，当开关K3的2脚和1脚相连时，继电器不工作，电热水壶不烧水。当判断出电热水壶内水量充足时，ZigBee协调器模块的P0_1口输出低电平信号，电磁铁吸引开关，使得2脚与3脚相连，此时继电器工作，LED5灯发光，电热水壶烧水。继电器的2引脚和4引脚连至电源正极，5引脚与LED5相连后连接一个1K的负载电阻R8再接地，在继电器工作时亮灯。为了避免继电器在断开时引起的反电动势损坏电路元件，所以需要在4引脚和5引脚之间串联一个续流二极管D5。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。