一種多功能智能水杯及其健康管理系統的制作方法

本發明涉及智能生活用品技術領域，特別涉及一種多功能智能水杯及其健康管理系統。

背景技術：

水杯是人們常用的日常生活用品，主要是用來盛裝液體，包括各種各樣的飲料，隨著人們需要的多樣化，對水杯的功能也提出了多種多樣的要求，如在杯體上設置手把，從而有很好的防燙傷效果；如設置杯蓋，能使裝在內部的水等液體延緩散熱，以達到保溫的目的；在材料上可以是塑料、陶瓷或不銹鋼等等。隨著智能化技術的發展，水杯的功能也得到不斷地拓展：

公告號為CN204708519U的中國發明公開了一種可以監測水溫的智能水杯，包括杯蓋和杯身，所述杯蓋和所述杯身相連，所述杯蓋包括杯蓋緊固結構架、保溫塞、儲物槽、保溫塞鎖定鉤和儲物槽密封蓋，所述杯身包括杯身結構架、杯口緊固圈、杯身保溫層、水杯內膽、防燙環、溫度感應器、LED彩色顯示屏、顯示屏保護殼和顯示屏保護殼滑動軌道。

公告號為CN105231758A的中國發明專利公開了一種感應式制冷制熱智能水杯，包括：第一無線接收單元、第二無線接收單元、第一感應單元、第二感應單元、制熱單元、第一溫度傳感器、制冷單元、第二溫度傳感器，以及帶有存儲器的處理器；其中制冷和制熱功能分別由制冷單元和制熱單元實現。本發明提升了使用者制備熱水或冷水的用戶體驗，并通過百葉門的結構節省了電力。

但是，現有的多種多樣智能水杯，僅僅是能夠檢測或者控制杯體內的溫度，獲取水量等液體參數，缺乏對于水杯內的液體類別進行有效識別，對于液體的營養成份進行有效地分析，用戶不能夠實時感知所飲用的飲品狀態，另外，對于人體是否缺水，也是無法獲知，這樣使得很多現有地智能水杯具有的飲水計劃提醒功能，缺乏針對性，僅僅是根據現有的一些研究方案針對大多數用戶的統計結果，并不能夠完全根據個人的飲品習慣給出有針對性的指導方案，比如有人喜歡喝茶、牛奶、咖啡、果汁等等，每個人都具有不同的日常生活習慣，使得現有的智能水杯在健康指導方面體驗不高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種多功能智能水杯及其健康管理系統，能夠自動識別并分析水杯內的液體類型，從而能夠準確地獲得用戶飲品狀態，引導用戶形成一種健康合理的生活習慣。

為了解決上述技術問題，具體地，本發明提供了如下技術方案：

一種多功能智能水杯，包括杯體、內膽、杯蓋以及底殼，所述內膽設置在所述杯體內，在所述內膽的外側壁設置有水位檢測傳感器，所述內膽底部設置有光譜檢測裝置和水質檢測柱，所述水質檢測柱上安裝有溫度傳感器和TDS水質檢測器；所述光譜檢測裝置設置在一光譜檢測安裝座中，包括濾鏡、檢測光源以及光譜采集傳感器，所述內膽底部設置有防水固定片，所述水質檢測柱穿出所述防水固定片，所述防水固定片上還設置有濾鏡接觸窗，所述濾鏡貼合所述濾鏡接觸窗設置，所述檢測光源和所述光譜采集傳感器分別設置在所述濾鏡的兩側；所述水位檢測傳感器、所述溫度傳感器、所述TDS水質檢測器以及所述光譜采集傳感器與設置在所述內膽和所述底殼之間的主控電路板電性連接；通過所述水位檢測傳感器、所述溫度傳感器、所述TDS水質檢測器以及所述光譜檢測裝置，實時或者按照一定的時間周期獲得水杯內的水量、溫度、TDS值以及液體反射的光譜數據，所述主控電路板上的無線通信裝置將所述水量、溫度、TDS值以及光譜數據傳輸到智能移動終端和云端服務器。智能移動終端設置有APP客戶端，能夠建立客戶檔案，存儲用戶的智能水杯內的液體參數，記錄用戶的飲水量等等，云端服務器通過接收這些液體參數，通過光譜數據對照云端服務器的液體光譜標準，識別液體類型，從而生成飲品指導方案，推送到APP客戶端，實現對用戶的健康指導。

進一步的，所述多功能智能水杯還包括人體水分檢測裝置，所述人體水分檢測裝置包括信號激勵單元、阻抗測量單元以及至少一組檢測電極片，所述人體水分檢測裝置設置在所述底殼內，所述信號激勵單元和所述阻抗測量單元與所述主控電路板電性連接，所述檢測電極片設置在所述底殼外壁。使用時，人的手或者其他部分接觸檢測電極片，電路導通，從而測量此時測量人體組織的電阻抗，將電阻抗數據通過無線通信裝置傳送到云端服務器，通過一段時間的統計分析，綜合判斷用戶的人體水分參數，從而修正飲品指導方案。

進一步的，所述檢測光源包括多個單色LED光源，通過所述主控電路板控制并發出對應特定營養元素的特定波長光源，獲得特定營養元素所對應的元素光譜數據并傳送到所述云端服務器，所述云端服務器根據所述元素光譜數據分析獲得水杯內液體的各種營養元素含量數據。

進一步的，所述杯體的一側還設置有液晶顯示屏和飲水量指示燈，以及所述底殼內還設置有揚聲器，所述液晶顯示屏、所述飲水量指示燈以及所述揚聲器與所述主控電路板電性連接。結合水位檢測傳感器以及飲水量指示燈，能夠實時顯示用戶的飲水量，通過液晶顯示屏能夠實時顯示杯內的液體參數，如溫度、水量、TDS值以及液體類型等。

進一步的，所述主控電路板通過一電路板支撐座安裝在所述底殼內，位于所述光譜檢測安裝座下方；所述主控電路板設置有微處理器，所述微處理器與一驅動電源電性連接。

進一步的，所述驅動電源是充電電池，所述充電電池設置在所述主控電路板下方，位于所述電路板支撐座之間；所述充電電池通過一充電電源板與設置在所述底殼內的正負極充電片連接，所述正負極充電片的感應線圈與無線充電器的感應線圈耦合。

進一步的，所述內膽上部與所述杯體連接處設置有內膽防震硅膠圈，所述內膽底部設置有防水固定件；所述底殼與所述杯體連接部設置有底殼防水硅膠圈，所述底殼的底部設置有防滑硅膠墊。

進一步的，所述杯蓋包括杯蓋體和杯蓋防水片，所述杯蓋防水片設置在所述杯蓋體內，所述杯蓋防水片與所述內膽的上端配合。

基于同一發明構想，利用上述多功能智能水杯，本發明還提供了一種基于所述智能水杯的健康管理系統，包括移動終端、云端服務器以及至少一個所述智能水杯，所述智能水杯用于獲得水杯內液體的溫度、水量、TDS值、光譜數據以及電阻抗數據，將所述液體的溫度、水量、TDS值、光譜數據和所述人體水分數據同時傳輸到所述移動終端和所述云端服務器，所述云端服務器用于根據所述光譜數據分析獲得水杯內液體的液體類型、營養元素，根據所述電阻抗數據分析獲得人體組織水分數據，并生成飲品指導方案；所述移動終端用于接收所述云端服務器的所述液體類型、所述營養元素數據以及所述飲品指導方案。

進一步的，通過所述智能水杯上的揚聲器和液晶顯示屏，向用戶發出液體類型、水量提示信息；所述移動終端通過所述無線通信裝置設置所述智能水杯的參數。

采用上述技術方案，通過在智能水杯內設置水量、TDS值、水溫等檢測傳感器，并且設置在光譜檢測裝置，能夠快速地識別杯內的液體類型和液體的營養元素含量，另外，還通過設置在底殼位置的人體水分檢測裝置，能夠長期跟蹤用戶的身體組織是否缺水，通過全面地液體參數采集、用戶長期營養攝入情況以及用戶的身體組織水分含量，能夠根據每一個用戶的生活習慣，準確地獲得一定時間周期內飲料的攝入情況，根據人體健康指標，分析獲得用戶的最佳飲品指導方案，引導用戶形成健康的生活方式。

附圖說明

圖1為本發明的多功能智能水杯剖視結構圖；

圖2為本發明的多功能智能水杯主視結構圖；

圖3為本發明的光譜檢測裝置原理結構圖；

圖4為本發明的多功能智能水杯控制系統結構框圖；

圖5為本發明的人體水分檢測裝置系統結構框圖；

圖6為本發明的健康管理系統結構框圖。

圖中，10-杯體，20-杯蓋，30-底殼，40-內膽，11-內膽防震硅膠圈，12-水位檢測傳感器，13-水質檢測柱，14-防水固定片，15-光譜檢測裝置，16-濾鏡防水圈，17-光譜檢測安裝座，18-檢測固定件，19-防水固定件，120-主控電路板，121-充電電池，122-電路板支撐座，123-揚聲器，124-人體水分檢測裝置，125-液晶顯示屏，126-飲水量指示燈，127-顯示屏保護件；21-杯蓋體，22-杯蓋防水片，23-頂部保護件，24-圓周保護件；31-防滑硅膠墊，32-正負極充電片，33-底殼防水硅膠圈，34-充電電源板，35-檢測窗口；1241-檢測電極片，141-濾鏡接觸窗，151-濾鏡，152-濾鏡安裝座，153-檢測光源，154-光譜采集傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1、2、4所示，一種多功能智能水杯，包括杯體10、內膽40、杯蓋20以及底殼30，所述內膽40設置在所述杯體10內，在所述內膽40的外側壁設置有水位檢測傳感器12，所述內膽40底部設置有光譜檢測裝置15和水質檢測柱13，所述水質檢測柱13上安裝有溫度傳感器和TDS水質檢測器；所述光譜檢測裝置15設置在一光譜檢測安裝座17中，包括濾鏡151、檢測光源153以及光譜采集傳感器154，所述內膽40底部設置有防水固定片14，所述水質檢測柱13穿出所述防水固定片14，所述防水固定片14上還設置有濾鏡接觸窗141，所述濾鏡151貼合所述濾鏡接觸窗141設置，所述檢測光源153和所述光譜采集傳感器154分別設置在所述濾鏡151的兩側；所述水位檢測傳感器12、所述溫度傳感器、所述TDS水質檢測器以及所述光譜采集傳感器154與設置在所述內膽40和所述底殼30之間的主控電路板120電性連接；通過所述水位檢測傳感器12、所述溫度傳感器、所述TDS水質檢測器以及所述光譜檢測裝置15，實時或者按照一定的時間周期獲得水杯內的水量、溫度、TDS值以及液體反射的光譜數據，所述主控電路板120上的無線通信裝置將所述水量、溫度、TDS值以及光譜數據傳輸到智能移動終端和云端服務器。智能移動終端設置有APP客戶端，能夠建立客戶檔案，存儲用戶的智能水杯內的液體參數，記錄用戶的飲水量等等，云端服務器通過接收這些液體參數，通過光譜數據對照云端服務器的液體光譜標準，識別液體類型，從而生成飲品指導方案，推送到APP客戶端，實現對用戶的健康指導。

光譜檢測裝置15的原理如下：

將光源輻射出的待測元素的特征光譜通過樣品的蒸汽中待測元素的基態原子所吸收，由發射光譜被減弱的程度，進而求得樣品中待測元素的含量，它符合郎珀-比爾定律A＝-lg I/I₀＝-lgT＝KCL式中I為透射光強度，I₀為發射光強度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由于L是不變值所以A＝KC。物理原理為：任何元素的原子都是由原子核和繞核運動的電子組成的，原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級，因此，一個原子核可以具有多種能級狀態。能量最低的能級狀態稱為基態能級(E₀＝0)，其余能級稱為激發態能級，而能最低的激發態則稱為第一激發態。正常情況下，原子處于基態，核外電子在各自能量最低的軌道上運動。如果將一定外界能量如光能提供給該基態原子，當外界光能量E恰好等于該基態原子中基態和某一較高能級之間的能級差E時，該原子將吸收這一特征波長的光，外層電子由基態躍遷到相應的激發態，而產生原子吸收光譜。電子躍遷到較高能級以后處于激發態，但激發態電子是不穩定的，大約經過10^-8秒以后，激發態電子將返回基態或其它較低能級，并將電子躍遷時所吸收的能量以光的形式釋放出去，這個過程稱原子發射光譜。可見原子吸收光譜過程吸收輻射能量，而原子發射光譜過程則釋放輻射能量。

理論上，每一種液體都是由水分、碳水化合物、蛋白質以及多種營養元素組成的，每一種的液體均對應有不同的光譜圖，通過在云端服務器存儲常見的各種飲料的光譜圖，然后通過智能水杯實時獲得水杯內的液體光譜圖，與云端服務器預先存儲的光譜圖進行對比，從而能夠快速地識別杯內的液體類型，如水、牛奶、果汁、咖啡、茶等主要飲料。

其中，所述檢測光:151包括多個單色LED光源，通過所述主控電路板120控制并發出對應特定營養元素的特定波長光源，獲得特定營養元素所對應的元素光譜數據并傳送到所述云端服務器，所述云端服務器根據所述元素光譜數據分析獲得水杯內液體的各種營養元素含量數據。

為了檢測杯內液體的營養元素含量，針對特定的營養元素含量，需要特定的波長的光源獲得特定元素光譜圖，從而分析獲得各種營養元素含量，現有的光譜分析一般采用單一波長的激光光源，能夠準確地獲得各種元素的含量，單一波長的激光光源結構復雜，體積較大，而且成本高，LED光源可以形成LED陣列，體積小，而且成本低廉，能夠集成設置在智能水杯內；單一顏色的LED光源的波長變化小，能夠大致滿足營養元素檢測的需要，通過微處理器控制檢測光源151，依次開啟各種單一顏色的LED，從而獲得不同波長條件下的光譜圖數據，通過云端服務器能夠大致判斷每一種營養元素含量的區間。如表1所示，給出了主要元素所對應的光源波長。

表1

關于TDS值，一般情況下，水體的TDS值小于50是純水；自來水的TDS值在1000以下，最適合飲用的TDS值為300；因此，通過TDS值檢測能夠準確地區分純水還是自來水等。

其中，光譜采集傳感器154是CCD探測器，CCD探測器是一種硅基多通道陣列探測器，可以探測紫外、可見和近紅外光。因為它是高感光度半導體器件，適合分析微弱的拉曼信號，再加之CCD探測器允許進行多通道操作(可以在一次采集中探測到整段光譜)，所以很適合用來檢測拉曼信號。CCD探測器一般是一維(線狀)或二維(面狀)的陣列，陣列由成千上萬個獨立的探測器元素組成(也稱為像元)。每個元素受到光的作用產生電荷——光越強，作用時間越長，產生的電荷越多。最終，讀出電子元件把電荷從像元中引出，從而每個電荷都被讀出測量。在普通的拉曼光譜儀中，拉曼散射首先通過衍射光柵色散，然后投射到CCD陣列的長軸上，第一個像元探測到光譜低波數起始信號，第二個像元探測到下一個光譜位置的信號，依此類推，最后一個像元將探測到光譜高波數終端信號。

其中，杯體10是陶瓷材料、金屬板材形成的真空腔體結構，或者金屬板材之間填充隔熱材料形成的復合隔熱層結構。

優選地，所無線通信裝置是藍牙通信模塊、無線RF通信模塊、Wi-Fi通信模塊任意一種。優選為藍牙4.0通信模塊，實現與移動終端的數據通信，可以通過移動終端與云端服務器連接，也可以直接與云端服務器連接。

優選地，所述水位檢測傳感器12是貼合在所述內膽外壁的導電薄膜。

如圖5所示，所述多功能智能水杯還包括人體水分檢測裝置124，所述人體水分檢測裝置124包括信號激勵單元、阻抗測量單元以及至少一組檢測電極片，所述人體水分檢測裝置124設置在所述底殼30內，所述信號激勵單元和所述阻抗測量單元與所述主控電路板120電性連接，所述檢測電極片1241設置在所述底殼30外壁。使用時，人的手或者其他部分接觸檢測電極片1241，電路導通，從而測量此時測量人體組織的電阻抗，將電阻抗數據通過無線通信裝置傳送到云端服務器，通過一段時間的統計分析，綜合判斷用戶的人體水分參數，從而修正飲品指導方案。

測量人體生物電阻抗值可以得到水分、脂肪等與人體健康狀況有關的信息。本發明中采用脈沖式檢測方法獲得人體電阻抗值，利用脈沖信號中所含有的多諧波頻率成分，能夠比正弦波信號激勵提供更多的信息，并擁有更快的響應速度。檢測電極片1241可以設置在底殼30的外壁，也可以設置在底殼30內，通過在底殼30上開設一檢測窗口35，用戶將手指伸入到檢測窗口35內，與檢測電極片1241接觸，從而實現電阻抗的測量。

其中，所述杯體10的一側還設置有液晶顯示屏125和飲水量指示燈126，以及所述底殼30內還設置有揚聲器123，所述液晶顯示屏125、所述飲水量指示燈126以及所述揚聲器123與所述主控電路板120電性連接。結合水位檢測傳感器12以及飲水量指示燈126，能夠實時顯示用戶的飲水量，通過液晶顯示屏125能夠實時顯示杯內的液體參數，如溫度、水量、TDS值以及液體類型等。液晶顯示屏125外側還設置有顯示屏保護件127。

其中，所述主控電路板120通過一電路板支撐座122安裝在所述底殼30內，位于所述光譜檢測安裝座17下方；所述主控電路板120設置有微處理器，所述微處理器與一驅動電源電性連接。

其中，所述驅動電源是充電電池121，所述充電電池121設置在所述主控電路板120下方，位于所述電路板支撐座122之間；所述充電電池121通過一充電電源板34與設置在所述底殼30內的正負極充電片32連接，所述正負極充電片32的感應線圈與無線充電器(未示出)的感應線圈耦合。

其中，所述內膽40上部與所述杯體10連接處設置有內膽防震硅膠圈11，所述內膽40底部設置有防水固定件19；所述底殼30與所述杯體10連接部設置有底殼防水硅膠圈33，所述底殼30的底部設置有防滑硅膠墊31。

其中，所述杯蓋20包括杯蓋體21和杯蓋防水片22，所述杯蓋防水片222設置在所述杯蓋體21內，所述杯蓋防水片22與所述內膽10的上端配合。杯蓋體21上端設置有頂部保護件23，在杯蓋體21的側壁設置有圓周保護件24。

其中，濾鏡151安裝在一濾鏡安裝座152內，濾鏡安裝座152通過一檢測固定件18固定，濾鏡151與防水固定片14之間設置有濾鏡防水圈16，如圖3所示，檢測光源151發出的光通過濾鏡151射向杯內，在濾鏡151與液體的分界面上發生反射和折射，反射光被光譜采集傳感器154接收，獲得光譜圖像數據。

其中，所述主控電路板120上還集成設置有飲水動作識別裝置，所述飲水動作識別裝置主要包括重力傳感器、特征提取單元以及飲水識別單元，所述重力傳感器用于獲得用戶飲水動作時的加速度變化參數；特征提取單元，用于處理并分析加速度變化參數，獲得用戶飲水的特征，建立基準模型并存儲；飲水識別單元，用于將重力傳感器實時獲得加速度變化參數與存儲的基準模型進行對比，識別用戶飲水動作。因為智能水杯的空間位置不斷地變化，如倒水、攜帶、洗刷，為了能夠準確地獲得用戶的飲水量，需要結合判斷用戶是否在飲水，從而修正水位檢測傳感器的檢測參數。重力傳感器(G-Sensor)又稱為加速度傳感器，用來感知加速度的變化，它使用三維方向的加速度分量來表示。G-Sensor被用在很多智能設備當中，比如IBM的高端筆記本電腦內置了G-Sensor，在發生劇烈的拉動時(如跌落)，立即啟動硬盤保護，避免硬盤損害。再如Apple的iPhone使用G-Sensor來感知手機屏幕的方向，當在觀看視頻時手機橫放，屏幕自動跟著旋轉，這使得用戶體驗大大增加。

基于同一發明構想，如圖6所示，利用上述多功能智能水杯，本發明還提供了一種基于所述智能水杯的健康管理系統，包括移動終端、云端服務器以及至少一個所述智能水杯，所述智能水杯用于獲得水杯內液體的溫度、水量、TDS值、光譜數據以及電阻抗數據，將所述液體的溫度、水量、TDS值、光譜數據和所述人體水分數據同時傳輸到所述移動終端和所述云端服務器，所述云端服務器用于根據所述光譜數據分析獲得水杯內液體的液體類型、營養元素，根據所述電阻抗數據分析獲得人體組織水分數據，并生成飲品指導方案；所述移動終端用于接收所述云端服務器的所述液體類型、所述營養元素數據以及所述飲品指導方案。

其中，通過所述智能水杯上的揚聲器和液晶顯示屏，向用戶發出液體類型、水量提示信息；所述移動終端通過所述無線通信裝置設置所述智能水杯的參數。

以上結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但本發明不限于所描述的實施方式。對于本領域的技術人員而言，在不脫離本發明原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發明的保護范圍內。