智能水杯探討

世界網絡www.linkwan.com 創辦人林和安

文章發表於《中無通訊》第90期

“水是生命之源，亦乃百藥之王”，合理飲水是健康生活的基本。人體內的水含量約在70%左右，而新生兒體內的水，可高達80%-90%，離開了水，食物不能消化，養料不能輸送，廢物不能排泄，體溫不能調節，人體的一切代謝等為之紊亂。

喝水是維持人體新陳代謝的重要一環，我們需要每天通過口腔攝入大約2升的水，通過胃部吸收，主要用於補充細胞內液和細胞外液，參與人體各種生理活動。喝水就離不開容器，從古代的青銅器、瓷器、木器等飲水容器開始，到現在的不銹鋼杯、玻璃杯、塑料杯、紙杯等不一而足。本文將就飲水用的容器——水杯入手，探討經過智能化的水杯的優勢和不足。

一、智能水杯的概述

據世界衛生組織（WHO）調查標明，人類80%的疾病和50%的兒童死亡率都與飲用水水質不良有關。對於水杯，杯內是水，杯外是人，它是將水與人鏈接的健康紐帶，在萬物互聯的物聯網催化下，在今天這個“使用即鏈接”的數據時代裏，以“智能硬件、互聯網軟件”為核心的科技公司，在“智能生活”方向上，開始對水杯進行智能化，而“飲水與健康”便成為智能水杯的追逐核心。

圖1：智能杯設計手繪圖稿

智能水杯主要的智能化功能大致歸結為：檢測並顯示水的溫度、檢測並顯示水質TDS（溶解性固體總量）、記錄飲水量、紫外光安全殺菌、活化性小分子等，目前主要是基於單片機芯片的外圍使用。

圖2:智能水杯核心電路圖(點擊放大)

簡單剖析智能水杯的智能模塊，看到其主要包括各類檢測傳感器（溫度、水質等）、主控芯片、輔助電子元件、無線數據通訊（APP，應用是藍牙無線通訊為主）、電源或內置電池等。由於水杯屬於經常清洗的日常生活用品，所以智能水杯也需要在結構上支持防水，智能模塊更需要考慮觸水後的零風險處理。

因為水杯杯體或杯蓋的可用空間限制，智能水杯裏的智能模塊尺寸要求更小，需要集成度更高，對於滿足長期使用且不用充電的智能水杯，功耗要求也更低。

二、智能水杯的結構與材質

我們生活中常用的水杯材質主要有金屬保溫杯、塑料杯、玻璃杯、陶瓷杯等。

智能水杯，鑒於玻璃的透明美觀，陶瓷杯的小眾性，目前一般以保溫杯和塑料杯為主。智能水杯的智能電子模塊主要被放置在杯體內部或者杯蓋裏。而對於智能保溫杯而言，為了不破壞保溫特性，智能模塊通常被放置在杯蓋內居多。

圖3：智能水杯結構

杯身通過兩層金屬（不銹鋼）之間的真空，截斷熱量向外傳輸的介質，從而實現保溫效果；同時，也可以在金屬內膽外層鍍銅，來增加保溫的穩定性和持久效果。與水接觸的材質，包括金屬保溫杯的杯蓋、塑膠杯、智能杯裏與水接觸的傳感器等，都會嚴格要求食品級的綠色環保材料。

如圖3所示，保溫杯一般由杯蓋、瓶身、瓶底、內膽、真空層幾個部分組成，其中內膽與杯蓋與水直接接觸，與我們的健康息息相關。杯蓋常用的材質是食品級PP材料，我們重點討論保溫杯內膽的材質，採用不同材質的內膽則各有優缺點。

1.塑料內膽：塑料內膽的保溫杯保溫效果差，保溫時間短，非食品級塑料遇高溫有可能釋出有害物質。能作為水杯內膽的食品級塑料材質主要為PP和Tritan，這兩種材質都不含雙酚A，而其他的如PC、ABS材質就不那麼健康了。

2.陶瓷內膽：無色的釉面陶瓷內膽是安全的。陶瓷是泥土經過千度高溫鑄煉而成，高溫將土壤中的重金屬、有害物質等汽化，因此是安全無害的，且陶瓷耐高溫。作為智能杯內膽的，在市場上比較少見。

3.紫砂內膽：紫砂是介於陶和瓷之間的陶瓷制品。較好的紫砂，採用具有養生和調理功能。紫砂的內膽也是常常和不銹鋼的外殼相搭配，可以提高紫砂杯的使用壽命。

4.玻璃內膽：玻璃杯主要是高硼矽玻璃經過600多度的高溫燒制而成，是一種公認的比較安全的水杯配料，不會因為沸水而釋出雜質，也較容易清洗，但是不抗摔且不易攜帶。

5.金屬不銹鋼內膽：常用做內膽的不銹鋼有201、304、316等幾個型號，其中201不銹鋼因重金屬含量較高，其耐酸、耐堿較差，如果用做水杯內膽，長時間裝熱水容易溢出重金屬，也會產生銹跡，危害健康。304不銹鋼是國際公認的食品級不銹鋼，具有優良的耐腐蝕性能和較好的易加工性能，是保溫杯普遍使用的一種安全衛生的材料。316不銹鋼做為醫用級不銹鋼，它的抗腐蝕性、易加工和焊接性能比304更好，但是成本也較304不銹鋼高。智能杯較多採用不銹鋼杯體。

三、統計喝水量

智能水杯最大的一個賣點是可以通過連接的APP或水杯上的屏幕、燈光或者聲音等提醒使用者喝水，同時幫助記錄使用者每天的飲水量。通過杯子內置的稱重模塊及算法，智能水杯可以准確記錄飲水量；同時，智能水杯內置三軸位置感應芯片，可以通過傾斜速度和角度，精確地分辨喝水與倒水的區別；同時，智能水杯也能結合使用者的身高與體重、飲水習慣等因素，定制出適合使用者的飲水時間與飲水量，確保每天攝入足夠的水，維持人體的新陳代謝平衡。

圖4：喝水量統計智能水杯方框圖

圖5：智能水杯案例實物圖

“提醒人喝水，統計飲水量”，開啟了智能水杯的市場新鮮感。這樣的智能水杯，好處就是可以解決部份人群因工作太忙而忘記喝水的問題。在與相關智能杯公司溝通交流時得知，這類智能杯的銷量逐漸減少，且重複購買率低。很多人在使用該智能水杯時，並沒有長期堅持根據水杯提醒來喝水，也逐漸減少打開APP查看每天的飲水量。提醒喝水和記錄喝水量，這樣的智能水杯看來並沒有找到用戶的需求和解決用戶喝水的重點。簡單究其原因，應該是跟人體自身可以感覺是否口渴、是否需要補水有關。

四、溫度顯示

溫度對人體健康非常重要，人體無時無刻不在與外界進行著熱平衡交換，而我們每天都要喝水，但很少人會注意到水的溫度很重要。俗話說“十胃九病”，胃作為人體重要的消化器官，非常容易生病，必須小心呵護。晨起喝杯溫開水，能幫腸胃道“減負”。而且，溫開水能幫助緩解便秘，降低腦血栓、心肌梗塞的發病率，還能幫助吸收早餐中的營養。養護腸胃，不建議喝太熱或太涼的水，過燙的液體進入食道，會破壞食道黏膜和刺激黏膜增生，誘發食道癌，這已是醫學界的定論。而攝入過冷的水則會使胃腸黏膜突然遇冷而使原來開放的毛細血管收縮，使平滑肌痙攣，可以引起胃腸不適或絞痛甚至是腹瀉。

在我們的日常生活中，也經常出現用被水燙到嘴舌的尷尬。為了讓消費者更直觀的了解水的溫度，智能水杯會通過內置在杯內的測溫模塊，將水的實時溫度傳遞到位於杯蓋或杯身的顯示屏，基於水的溫度部分智能水杯還會通過LED燈的閃爍來提醒使用者當前的水溫是否適合飲用。

圖6：智能水杯蓋案例圖

35～40℃的溫開水適合直接喝；45℃的水適合泡牛奶；想喝蜂蜜，以低於55℃的溫開水最佳；85℃則是泡茶的適當水溫。

但作為智能水杯產品，往往需要對問題進行閉環考慮。智能水杯的締造者，讓消費者能夠看到喝水的溫度數值，並選擇適合的水溫，這一點對用戶的需求而言是遠遠不夠的。檢測水溫並顯示溫度數值，屬於發現問題，還不足以解決消費者生活的閉環需求，如果能夠隨時加熱或致冷，根據用戶需求隨時將水溫變化到自己所需要的溫度，這樣就能發現問題並解決問題了。據行業人士稱，具有這樣功能的水杯已經在研制，不久將推向市場。

五、智能水杯的水質TDS檢測

部分智能水杯帶有TDS檢測功能，一般裝在杯蓋內側等地，在喝水前只需要與水接觸，即可實時顯示出水的TDS值，供我們飲水參考。

TDS是指水中總溶解性物質的濃度，主要反映的是水中鈣、鎂、鈉、鉀等離子的濃度，TDS值一般用於衡量純淨水的純淨度，不適用於茶水、咖啡等檢測，並且TDS值的大小無法反應水中有害重金屬離子濃度的大小，水中有細菌多少、有機物濃度高低、亞硝酸濃度是否超標、有沒有農藥殘留這些都都無法通過TDS值的大小來反應。

TDS測試原理：通過在兩個或多個電極之間施加電壓，帶正電的離子（如鈉離子，鈣離子，鎂離子，氫離子，等等）向負電荷的電極移動，帶負電荷的離子（如氯離子，硫酸根離子，碳酸氫根離子等）將向正電荷的電極移動，離子的移動形成了電流，水越純淨，可溶性固體越少，電阻越大，電導率越小，純水幾乎不能導電。TDS 值與電導率有直接關系，根據不同的情況，TDS 值一般為電導率的0.5～1倍。

圖7：水質TDS測量及溫度測量示意電路

圖8：水質TDS、溫度數顯保溫杯方框圖

目前，除了水質檢測外，還有些水杯升級了檢測功能，可檢測杯中液體的卡路里、糖份、脂肪、納元素、蛋白質和咖啡因等成份含量。

圖9：具有水質TDS檢測功能智能水杯樣圖

能檢測水質TDS的智能水杯，它的好處就是在飲用水領域能夠反應出水的“軟硬度”，能夠在解決人們發現喝水水質狀況的問題。但用戶有疑問：“如果發現水質不好的問題後，如何解決？”，因此有智能水杯廠商已經開始研究在水杯內進行水淨化，當檢測發現水質不好時，可以將水進行淨化或者“軟化”。

六、紫外光消毒

為了保證水杯中水的潔淨，部分智能水杯增加了紫外光消毒功能，在杯子內置有紫外燈，通過定時或手動對杯內的飲用水進行紫外光照射，微生物如病毒，細菌，酵母菌，真菌被紫外燈在幾十秒鍾之內變得無害。

紫外光消毒是一種物理消毒方法，它不需要向水中增加任何物質，沒有副作用，消毒使用的紫外光是C波紫外光，其波長范圍是200-275nm，殺菌作用最強的波段是250-270nm。紫外光能夠破壞微生物機體細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡和（或）再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。紫外光消毒技術是基於現代防疫學、醫學和光動力學的基礎上，利用特殊設計的高效率、高強度和長壽命的UVC波段紫外光照射流水，將水中各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死。

圖10：UVC殺菌原理

UVC消毒：微生物如細菌，病毒，囊腫和微菌是利用出芽或產生孢子繁殖簡單的延續生命週期形式。當他們的成長能力喪失造成細胞死亡，將使得它們無害，並且不再致病性。

日常生活中，我們常用的殺菌消毒方式就是高溫。所以我們喝水主要是燒開殺菌並放涼後飲用。具有UVC紫外光殺菌的智能水杯，其好處就是可以短時快速殺菌。但UVC紫外光，很容易被阻擋或衰減，它的有效穿透材質主要是成本比較貴的“石英玻璃”，而且紫外光強度與距離的平方成反比，因此目前智能杯能實現的UVC紫外光殺菌，其殺菌效果還需要進一步驗證。

七、激光共振傳遞能量水實驗

為簡化今次實驗，我採用2017年研制BG8生物能經絡儀輸出去驅動，7.83Hz舒曼波共振頻率驅動波長650nm激光LED，可傳遞和地球磁場同頻的激光能量水傳遞轉化啟動水液體實驗。在激光共振下活化水分子團排列變成直線型單分子活性水。共振後水分子氫鍵角度變寬約10度，並引導混亂的水分子N-S結構排列整齊增加水能量。7.83Hz舒曼波和諧的共振頻率烙印在水中，通過BG8生物能經絡儀儀器調控電磁及激光裝置或紫外光及激光水杯在30分鐘共振後，就能更適合人體細胞“直飲水”，飲用直飲水使細胞中線粒體的代謝加強，能在30分鐘有效改善血液粘稠度，使水透過2納米空間水通道細胞間隙，帶入營養，帶出廢物，還能中和人體內多餘的自由基，減緩人體衰老提高免疫能力。