智能水杯物联网系统设计方案

智能水杯物联网系统设计方案通过这学期“物联网系统设计”课程的学习，我们接触了一个物联网系统从感知、网络传输到应用的全部过程。在此基础之上，当需要设计一个有价值的物联网系统时，我认为大众消费品是最合适的。因为好的大众消费品具有极大的潜在价值，这种价值不但体现在经济利益上，更体现在巨大的用户量中。一个优秀的大众消费品可以改变全世界的处事习惯，也可以获得巨大的经济利益，无论哪一点都对物联网产业是一种极大的促进，从而使整个产业步入良性循环。因此，我设计的物联网系统将是一个大众消费品。一、背景分析1)健康服务当你感到口渴想要喝水的时候，体内的失水已经达到2%，口渴本身其实是体内已经严重缺水的表现，这是造成“亚健康”状态的致命习惯之一。同时，越不注意喝水，喝水的欲望就会越低，人就会变得越来越缺水。而且，很多人都因为忙碌的工作而全天忘记喝水。所以，我们需要一个能在恰当的时间提醒喝水的服务。2)效率服务现代社会生活节奏很快，人们的生活中越来越多地出现各种闹钟、便签等提醒功能的服务，说明这种服务确实是人们所需要的。但是这些服务往往存在各种各样的缺陷，比如不能对相关的情境做出延伸预测。这就使服务的质量始终维持在某种水平线下，不能为生活带来质的改变。因此，我们的产品也会在此大大改变大众的生活。3)社交服务另外，人类社会由纷繁复杂的关系网组成，这些不同范畴的关系都是人们日常生活中不可缺少的重要组成部分。而今的网络世界是一个SNS当道的时代。人们总是会把生活展示在社交网络上，而一种习惯反映一种心理，利用这种心理我们可以一改往日各种软件的逼迫式喝水促进的思路，采用激励的方式让他们自然而然的按时喝水。综上所述，我要打造的物联网系统是一款基于PaaS思想的融合了健康、效率和社交三大流量入口的智能水杯。二、系统概要从用户体验的角度出发，详见附录中图2-1，我主要做了外观和功能两部分的设计，来营造一种完美的用户体验。1)外观设计完美的外观设计是一个大众消费品成功的基石，水杯的实物详情见图2-2，图2-3，它采用椭圆形的底面设计，保证了曲面屏的曲率在人眼的舒适识别范围内。水杯的杯盖采用有一定重量的合金材料层，具有细腻的金属光泽和厚实的触摸感。杯身由三层结构组成，分别是TritanCopolyester材料内胆、电致变色材料中间层和CorningGorillaGlass3材料外壳。在杯身中间嵌入了一块PPI高达336的Retina屏幕，这是水杯与用户交互的核心位置。它的上方有一个800W像素高清摄像头，镜头光圈达到了f/2.0级别。它的下方嵌有一根透明塑料制成的变色彩条，彩条的颜色用于指示当前水杯的水温，通过滑动彩条可以在水杯的三大App间切换。水杯底部与杯盖采用相同的材料，不同之处在于底部非常纤薄，印有专门设计的企业LOGO，图2-4中有企业LOGO。2)功能设计整个物联网系统的功能体现在硬件和软件两个方面。硬件方面的核心是杯身的变色功能：当用户按时饮水按量饮水，做到符合预设的健康标准时，杯身就会呈现出一种非常艳丽的蓝绿色，可以让旁人一眼就看出用户正遵守着健康的喝水习惯；而当用户没有按照预设的健康标准饮水时，杯身就会呈现出一种比较难看的褐色。这种颜色的变化是逐渐的，随着用户健康习惯的抛弃或者养成都会向褐色或者蓝绿色渐变。软件方面的核心是前端的三大App，包括健康管理，效率增加和社交整合。健康服务包括对用户各种信息的采集，通过先行大量数据的医学分析，给出用户合理的饮水习惯，并按照此给出颜色的反映。健康服务还包括类似每日健康小贴士语音播报这样的微环节，以此给用户带来系统的健康管理。效率服务基于以往的闹钟App，但有着超乎想象的方便功能。当用户输入一个关键字时可以选择触发提醒的时间、时间甚至动作，比如老人可以设置喝水时触发一个吃药提醒。而且每个关键字的输入都会得到从云端服务器给回的发散关键字反馈，比如关键字为医院时可以返回病例、预约挂号等词条，以此提醒用户可能需要考虑的问题。这些词条中许多都可以用链接的方式通过内嵌浏览器跳转至相关的网页，比如预约挂号的网站。社交服务是增加水杯用户使用时间的一个重要功能。从心理学的角度讲，多数用户不会因为一个提醒或者一个强制性的要求而做到按时按量喝水，用户的健康行为需要一种强有力的驱动力。如今网络上社交应用正处于极其火爆的状态，许多网民每天都花费着大量的时间来浏览社交平台产生的信息，因此我们用每次按时喝水都以在社交平台中展示的方式来激励用户自觉按照提醒喝水，随着用户的朋友通过社交平台不断与用户就喝水的信息进行互动，用户健康饮水的意识也就不断强化。同时，我们考虑到多数使用SNS的用户都会有多个社交平台的账号，而这其中的许多都没有分开浏览的必要，比如人人网、新浪微博、QQ空间等。于是我们把这些社交平台整合为一个App，集中显示这些社交信息，如图2-5，图2-6所示。最后，当用户的手机处于免打扰模式时，这些App也会进入免打扰模式，防止对用户的正常休息造成打扰。三、层次设计水杯的物联网系统层次设计十分清晰，如图3-1，详情见下文。1)应用层应用层的主要内容是杯身的变色功能和健康、效率、社交三大要点，如图3-2所示。变色功能需要压力传感器判断用户的喝水情况，上传至云端后进行数据分析，并给回用户健康习惯的变化方向，通过电致变色传感器改变杯身夹层的颜色。显示屏点亮的时候只会显示三个App中的某一个，并没有桌面。因为简洁有时是最佳的设计。三个App的功能如上文所述，它们的工作过程需要无线局域网（Wi-Fi）的支持，比如效率服务App中的地点触发提醒功能，就需要Wi-Fi提供定位甚至室内定位服务，如图3-3所示。通过Wi-Fi连接至网络层并与云端服务器交换信息，把信息送至服务器计算，应用层仅按照计算的结果向用户展示。应用层的三大App需要操作系统的支持，这里深度定制一个Android操作系统作为中间件，整合通过网络层控制的资源，以接口方式提供给App使用。2)网络层网络层的设计因为涉及到连接互联网和与应用层直接通信，所以比较复杂。感知层的各种传感器以总线方式与网络层的不同物理接口连接，把源数据不加处理地送入网络层，完成接入部分的工作，这是接入子层。网络层内部的汇聚子层把这些数据以星型拓扑结构汇入51单片机处理单元。处理后的数据通过网关送入互联网另一端的服务器。服务器会对不同的数据做出相应的处理。另一方面应用层也通过总线方式直接与网络层连接，保证App运行时的网络接入。3)感知层感知层由嵌入杯身中的众多传感器组成。底部的压力传感器能不断采集压力信息，通过数据分析可以得出杯子的水量变化，从而获得用户的喝水情况信息。曲面屏背后嵌入了一个简化后的智能手机主板，包括摄像头传感器、声音传感器等，能够完成高清影像拍摄、语音播报等功能。另外，屏幕下方的透明塑料彩条是一个触摸传感器，能够检测手指的滑动，从而在三个应用间进行切换。杯身内胆中的温度传感器也采集温度信息，通过总线连接感知层的MCU，并把处理后的结果反映在彩条的颜色上，水温的从冷到热会导致颜色从绿到红变化。杯身中间层的电致变色材料采用金属酞菁（MetalPhthalocyanines），它应用了能够使颜色在蓝绿和褐色之间渐变的化学平衡方程：聚[𝐶𝑜Ⅰ𝑇𝐴Pc]⇌聚[𝐶𝑜Ⅰ𝑇𝐴Pc]整个杯身覆盖着一层CorningGorillaGlass3，这是时下最常用的手机面板材质，并在集成的智能手机主板中一块iNANDStandardEFD，为水杯提供4G的存储空间。四、系统评价智能水杯物联网系统与其说是一个产品，倒不如说是一种改变生活方式的体验。水杯从此在生活中有了前所未有的地位，它能完成生活中用户需要的众多重要的功能。它使用户的健康度、水的温度都具有可见性，带来的是一种前所未有的契合应有生活方式的体验。它的众多软件功能都带来了新的正确的看待问题的方式，让用户的生活乐趣、工作效率大大提升。而我们出售的绝不仅仅是一个物理产品，水杯只是一个介质，连接着用户和我们的服务源。通过水杯我们售出了服务，水杯本身可能我们只赚取成本，但服务的出售依靠流量模式或是后续比较高端的付费服务，可以获得远远大于水杯自身的高额利润。总而言之，水杯只是一个商品，但它的背后有着这一物联网系统带来的庞大产业。五、参考书目[1]宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京:人民邮电出版社，2008；[2]方彦军，孙健.智能仪器技术及其应用[M].北京:化学工业出版社，2003；[3]张福学，传感器应用及其电路精选[M].北京：北京电子工业出版社，1991；[4]陈伟人，MCS-51系列单片机实用子程序集锦[M].北京：清华大学出版社，1998。附录图2-1图2-2用户体验硬件配置软件系统设计工艺图2-3图2-4图2-5图2-6图3-1图3-2应用层•应用：健康、社交和效率•服务：中间件为深度定制的Android操作系统网络层•交换：互联网•接入：无线局域网感知层•环境布设的传感器•集成在CUPONE中的传感器健康•饮水情况可以从CUPONE的色彩中体现社交•智能发送用户饮水信息至SNS平台效率•独创关键字启发式生活贴士图3-3医院时间病例预约挂号