基于壓力流量復(fù)合監(jiān)測技術(shù)的智能化防漏節(jié)水控制系統(tǒng)

宋云寒 孫天佑

【摘 要】本文針對建筑內(nèi)停水后忘關(guān)閉閥門，管道滲漏水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，個(gè)人不良用水習(xí)慣導(dǎo)致的用水量過大的問題，提出了一種以單片機(jī)為核心的基于壓力流量復(fù)合監(jiān)測技術(shù)的智能化防漏節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)計(jì)部分本文論述了系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)、壓力及流量傳感器硬件電路設(shè)計(jì)、無線通信硬件接口電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)部分給出智能控制端和遙控播報(bào)端主程序的工作流程圖。本設(shè)計(jì)的實(shí)際性能通過后期使用得到驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);壓力傳感器;流量傳感器;防漏節(jié)水

中圖分類號： TU857;TH137文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0015-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.004

The design of intelligent control system in leak resistance and water saving based on pressure and flow monitoring technology

SONG Yun-han SUN Tian-you

（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164， China）

【Abstract】According to water waste problem in the building caused by forgetting to close the water valve after water supply suspension， serious leakage phenomenon on water supply pipeline and personal bad habits，this paper puts forward the design of intelligent control system in leak resistance and water saving based on pressure and flow monitoring technology which is based on single chip microcomputer using pressure sensor and flow sensor. The article mainly analyzes the general design method， pressure sensor and flow sensor circuit design and wireless communication interface circuit design in hardware. In software design the paper gives the intelligent controller's and the remote control-speech broadcast device's program flowchars of the master routine. The actual performance has been verified by the latter term usage， so the design has gotten the desired result.

【Key words】SCM; Pressure sensor; Flow sensor; Leak resistance and water saving

0 引言

當(dāng)前建筑內(nèi)的非正常用水消耗帶有一定的普遍性且并未引起足夠的重視，分析主要原因包括突發(fā)情況下停水后忘關(guān)水閥、暗敷的管道老化管道破裂導(dǎo)致的嚴(yán)重滲水漏水且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以及個(gè)人不良習(xí)慣導(dǎo)致的用水浪費(fèi)且不好管理，為了減少非正常用水消耗造成的財(cái)產(chǎn)財(cái)物損失，達(dá)到節(jié)水和預(yù)防的目的，需要對建筑室內(nèi)用水狀況進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的監(jiān)測與控制。

實(shí)際上為了達(dá)到節(jié)約用水的目的，目前已經(jīng)有節(jié)水控制閥廣泛應(yīng)用于諸如賓館寫字樓等的建筑的盥洗室內(nèi)，主要是由于對于可能出現(xiàn)的流動人員不良用水習(xí)慣，為了防止過度用水或有用水后忘關(guān)水閥而配備的，起到了一定的節(jié)約用水的作用，但是經(jīng)過觀察和研究后發(fā)現(xiàn)這種產(chǎn)品實(shí)際上是一種基于簡單的定時(shí)原理的控制閥，由于這種控制閥并不是智能化產(chǎn)品，自然也無法判定和防止上述提及的其它類型非正常用水消耗，為此我們需要一種智能化的防漏節(jié)水控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是采用基于壓力和流量的復(fù)合監(jiān)測技術(shù)并配有智能化識別和判定方法來解決上述非正常用水消耗問題，通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的基于檢測低壓水管道的壓力和流量傳感器技術(shù)還是比較成熟的，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成智能控制端和遙控報(bào)警端兩部分。智能控制端用于監(jiān)測壓力流量并當(dāng)非正常用水情況發(fā)生時(shí)控制水閥的可靠關(guān)閉以及故障排除后的可靠開啟。遙控播報(bào)端可以放置在人員活動頻繁的區(qū)域，用于接收智能控制端監(jiān)測到異常狀況并報(bào)警。由于水閥的管道的直徑以及實(shí)際的用水量不盡相同，可以通過遙控報(bào)警端向智能控制端發(fā)生命令設(shè)定閾值流量參數(shù)。當(dāng)然對于正常的較長時(shí)間中型流量用水時(shí)比如全自動洗衣機(jī)工作用水或洗澡用水時(shí)，亦可以通過遙控播報(bào)端設(shè)定智能控制端此時(shí)間段暫時(shí)撤銷監(jiān)測，時(shí)間過后自動恢復(fù)監(jiān)測。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是硬件方面智能控制端能可靠的監(jiān)測用水管道的壓力和流量的變化，另一方面在軟件設(shè)計(jì)方面需要智能化識別和判定算法，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的壓力與流量的變化來判定非正常用水情況的發(fā)生。

智能控制端所需功能構(gòu)造如下：單片機(jī)、流量與壓力傳感器檢測與轉(zhuǎn)換電路、無線通信模、聲光報(bào)警電路、電控開關(guān)水閥及對應(yīng)的控制軟件構(gòu)成;硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如下圖2所示：

壓力和流量傳感探頭需要安裝于管道上合適位置同時(shí)將輸出的壓力和流量電信號經(jīng)檢測與轉(zhuǎn)換電路處理后最終送至智能控制端上的C8051F410單片機(jī)。經(jīng)單片機(jī)智能化識別和判定算法處理后，如判定為異常情況，則實(shí)時(shí)發(fā)出聲光信號以表示是有泄漏情況發(fā)生，同時(shí)通過無線通信模塊將此狀態(tài)發(fā)送給遙控報(bào)警端。智能控制端開機(jī)自檢出現(xiàn)故障時(shí)則驅(qū)動蜂鳴報(bào)警電路報(bào)警，以通知用戶出現(xiàn)故障，需要及時(shí)排除。

遙控報(bào)警端所需功能構(gòu)造如下：單片機(jī)、按鍵識別與處理電路、無線通信模塊、語音播報(bào)模塊、蜂鳴器報(bào)警電路及對應(yīng)的控制軟件構(gòu)成;硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如下圖3所示圖3所示：

遙控報(bào)警上的按鍵識別與處理電路將按鍵操作情況通過轉(zhuǎn)換電路將信號最終送至C8051F410單片機(jī)。經(jīng)單片機(jī)軟件處理、判斷等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)在數(shù)碼管顯示上以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)通過無線通信模塊接收智能控制端發(fā)來的需要播報(bào)參數(shù)信號進(jìn)行語音播報(bào)，如果有特殊用水需求需要短時(shí)間關(guān)閉本系統(tǒng)時(shí)，則通過語音播報(bào)端發(fā)送特定的指令請求給智能控制端使其暫停監(jiān)控，時(shí)間過后自動恢復(fù)監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)遙控播報(bào)端正常情況下無法聯(lián)絡(luò)到智能控制端或者其自檢出現(xiàn)故障時(shí)則驅(qū)動蜂鳴報(bào)警電路以提醒用戶出現(xiàn)故障，需要排除。

2 系統(tǒng)硬件選擇

2.1 壓力傳感器的選擇

本系統(tǒng)選用是平膜陶瓷壓力傳感器，該種傳感器具有安裝方便且可靠性高、抗沖擊抗震動且抗干擾能力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度大且結(jié)構(gòu)緊湊和耐腐蝕及防泄漏的效果更好。具體接口電路如下圖4所示。

2.2 流量傳感器的選擇

流量傳感器在本系統(tǒng)選用霍爾型水流量傳感器，需要安裝在進(jìn)水總管路上，當(dāng)用水時(shí)水管內(nèi)部有水流動會帶動轉(zhuǎn)子組件轉(zhuǎn)動，其內(nèi)含霍爾傳感器流量傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號，該信號在整形處理后可直接被單片機(jī)采樣計(jì)數(shù)以此來反推流量的瞬時(shí)值。

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

總體的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即智能控制端和遙控播報(bào)端兩部分如下圖5所示。

4 軟件的程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)的原理和硬件構(gòu)成分析可知程序功能流程圖主要包括智能控制端的程序流程圖和遙控播報(bào)端的程序功能流程圖這兩個(gè)部分，如下圖6和圖7所示;

智能控制端主程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能為：當(dāng)檢測到突發(fā)的停水或者連續(xù)的滲漏情況時(shí)，表示建筑內(nèi)供水出現(xiàn)了故障，經(jīng)過智能化識別和判定算法分析判定后立即關(guān)閉供水總閥，并通過無線呼叫遙控播報(bào)端，如果呼叫成功則由遙控播報(bào)器通過語音輸出提示，如果沒有呼叫成功則發(fā)出聲光報(bào)警表示通信故障同時(shí)繼續(xù)呼叫。

遙控播報(bào)器主程序功能流程圖如下圖7所示，具體實(shí)現(xiàn)功能為為：當(dāng)接收到智能控制端通過無線呼叫的當(dāng)前的工作狀態(tài)后，則根據(jù)具體的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的語音播報(bào)提示，如果沒有被呼叫則判斷當(dāng)前是否需要輸入新的控制命令，如果是則進(jìn)入命令輸入狀態(tài)等待命令輸入完成，如果不是則繼續(xù)等待接收呼叫信號。

由于實(shí)際運(yùn)行中會有各種不穩(wěn)定因素以及各種的干擾情況的存在，在軟件層面的程序設(shè)計(jì)過程中也要一并考慮，同時(shí)相關(guān)硬件外圍電路也要進(jìn)行必要的抗干擾設(shè)計(jì)。另外還要考慮的無線通信的問題以及控制器驅(qū)動電磁閥動作的可靠性問題。

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的一種基于壓力流量復(fù)合監(jiān)測技術(shù)的智能化防漏節(jié)水控制系統(tǒng)，由智能控制端和遙控播報(bào)端組成，智能控制端和遙控播報(bào)端均以C8051F410單片機(jī)為核心，智能控制端外接壓力和流量傳感器。遙控播報(bào)端內(nèi)置語音播報(bào)模塊，實(shí)現(xiàn)了對于建筑室內(nèi)供水用水狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)與播報(bào)。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是能夠?qū)崟r(shí)探測室內(nèi)室內(nèi)供水的故障情況從而實(shí)現(xiàn)能夠最大限度節(jié)約用水的目的，該系統(tǒng)安裝方便、智能化高、具有廣泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]潘琢金.C8051Fxxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]黃智偉.傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例制作.北京[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.4.

[3]梁越勇.基于無線通信技術(shù)的溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2018，（11）：2364～2368.

[4]劉星.基于藍(lán)牙和單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2013（11）：46～48.