基于 Arduino 的高端智能饮水机
作者：陈铭德 学校：杏坛中心小学
1 发现问题
平时在家和教室里，使用普通饮水机接水时，我常常遇到麻烦。有一次放学回家，我按下饮水机的出水按钮，因为杯子摆放歪斜，水一下子洒了满满一桌子，我的作业本都被浸湿了。我还发现家里的饮水机缺少提醒功能，水箱水耗尽了才会发现没水；滤芯到期也没有提示，所以大人们总是忘记更换滤芯。长期饮用过滤不到位的水，会影响我们的身体健康。普通饮水机还没有防护机制，小朋友容易误触热水按键，存在烫伤的安全隐患。
为了进一步了解大家使用饮水机的真实困扰，我在小区、学校门口开展实地走访调研，一共采访了 26 位同学与家长。调研数据显示，84% 的使用者接水时发生过洒水弄湿台面、书本的情况；69% 的家长经常忘记按时更换饮水机滤芯；92% 的受访者十分担忧日常饮用水的水质安全。
市面上现有的普通饮水机，大多只有简单的烧水出水功能，缺少智能防护装置，洒水、滤芯过期、缺水提醒、防烫伤这些问题只能依靠主动留意。现有的部分智能饮水机，大多只具备简单调温、儿童锁，很少同时集成杯位检测、滤芯计时提醒、水位监测、语音控制全套功能。家庭、校园里老人、小朋友使用饮水机的频率很高，洒水浪费水资源、饮水不卫生、热水烫伤的风险时刻存在。于是我萌生想法：我要制作一台更加安全、卫生、便捷的智能饮水机，解决大家日常饮水遇到的各类难题。
2 设计与制作
我设计的是一台基于 Arduino 的高端智能饮水机，作品归属可持续社区主题，运用传感器、单片机、语音模块等电子器件，实现双层过滤、滤芯计时提醒、超声波杯位检测、语音控制冷热出水、低水位语音报警、按键手动操控、显示屏状态显示多项功能，适配家庭、教室等场景使用。
它的核心工作逻辑：以 Arduino 主控板作为整机的 “大脑”。超声波传感器实时检测水杯摆放位置，杯子没有放置到位或者没有杯子的时候，水泵不会启动出水，从源头避免洒水；水位传感器实时采集水箱水量，水量不足就触发语音提醒加水；设备内部程序记录滤芯使用时长，滤芯到期后使用语音提示更换，更换滤芯后，按下复位按键即可重置计时；既可以通过语音指令 “出冷水”“出热水” 控制水泵出水，也可以使用机身的冷水、热水按键手动操作；OLED 显示屏同步展示滤芯使用时长、设备运行状态；入水口、出水口双层过滤棉可以拦截水中杂质，保障饮水洁净。
我采购了 Arduino 主控板、超声波传感器、水位传感器、语音识别模块、OLED 显示屏、水泵、功能按键、杜邦线、过滤棉等元器件，使用 3D 打印制作设备外壳。
图1电路连接图
最开始连接电路的时候，我对照设计图纸摆放全部元器件，小心翼翼接线，但还是接错了两根线路，通电后显示屏完全没有反应。我没有急躁，逐根核对线路引脚，排查错误，终于完成了全部电路接线。接好硬件之后，我对照引脚编号编写主控程序，分段调试杯位检测、滤芯计时、水位采集、语音识别、水泵启停各个功能模块，把程序上传到 Arduino 主控板，显示屏成功点亮，设备初步具备了运行能力。
图 2 作品原型实物图
硬件程序完成后，我把全部模块、水泵、水箱安置进 3D 打印外壳，把传感器、显示屏、按键固定在外壳表面，完成整机组装。紧接着我开展了多次功能测试，测试中发现了一些缺陷：环境嘈杂时语音识别容易误触发；水泵偶尔出水水流不稳定；杜邦线容易松动，造成信号异常。针对这些问题，我优化语音识别指令，降低误触概率；清理水管杂质，调试水泵工作参数；使用扎带捆扎固定杜邦线，加固线路接口。经过反复调试优化，这台智能饮水机各项功能终于运行稳定。只要水杯摆放位置达标，语音或者按键下达指令，设备就会流出模拟冷热水；拿走水杯后立刻停止出水；水箱缺水、滤芯到期都会语音播报提醒，真正做到防洒水、防烫伤、饮水有保障。
3 小结与展望
这款智能饮水机主要面向家庭、校园使用，服务学生、老人等广大人群。超声波杯位检测可以有效避免洒水，节约水资源，契合可持续社区资源节约的理念；双层过滤搭配滤芯计时提醒，守护大家的饮水健康；语音控制降低了操作门槛，小朋友也可以安全使用，减少热水烫伤事故；低水位提醒，解决了忘记加水的烦恼。
在整个发明制作的过程中，我遇到了不少困难。接线出错设备不工作、程序参数错误功能失效、传感器受水汽干扰检测不准，好几次调试了很久都达不到预期效果，让我一度想要放弃。但是，我不断回看电路图，反复阅读程序代码，向学校科学辅导老师请教，一点点排查故障，不断修改测试，最终让作品成型。这次发明经历让我明白，科技创新不是一蹴而就，遇到难题不要轻易退缩，仔细观察、反复试验就能够找到解决办法。
当然，我的作品依旧存在可以优化的空间，后续我计划给传感器增加简易防水保护外壳，进一步提升设备抗水汽干扰能力；优化显示屏文字排版，让老人小孩读取信息更加简单直观。从生活里的一件洒水小事，到调研、画图、接线、写代码、组装调试，我真切体会到科技来源于生活，科技也可以改变生活。
最后我想分享一句科学家伽利略的名言：科学的唯一目的是解决人类生存的苦难，科学家应为大多数人着想。我希望未来可以继续观察生活，坚持动手创新，用小小的发明为身边人解决实实在在的生活问题。
责任编辑：李银慧
小字号