淺談家居智能供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

呂翊愷 韓云

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，因家居漏水產(chǎn)生的安全問題和水壓偏低造成的生活不便時(shí)有發(fā)生。隨著科技發(fā)展日新月異，僅靠人力來實(shí)現(xiàn)供水安全是不夠的，而借助現(xiàn)代化高科技的傳感器、智能控制等技術(shù)來輔助人們進(jìn)行家居智能供水是一種最理想、最高效的方法。家居智能供水系統(tǒng)是智能家居的一部分，通過紅外熱釋傳感器、流量傳感器、水壓增壓器等元器件實(shí)現(xiàn)家庭供水的智能化控制，能有效防止家居漏水現(xiàn)象，保證水壓正常，為離家的人們解決后顧之憂。

關(guān)鍵詞：智能家居；單片機(jī)；傳感器；供水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273；TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0040-03

Design of Home Intelligent Water Supply System

LV Yikai1，HAN Yun2

（1.No.1 Senior Middle School of Shouguang，Shouguang 262700，China；

2.Weifang University of Science and Technology，Shouguang 262700，China）

Abstract：Today，it is occurred from time to time that house hold safety problems about water leak and low water pressure，which causes the inconvenience of life. With the rapid development of science and technology，it is not enough to rely on manpower to achieve water supply security，home intelligent water supply taking advantage of sensors and intelligent control technology is one of the most ideal and efficient method. Home intelligent water supply system is a part of smart home. Intelligent control of home water supply can be realized by infrared pyroelectric sensor，flow sensor，water pressure supercharger and other components. It can effectively prevent water leakage at home，ensure normal water pressure，and solve the worries of people leaving home.

Keywords：smart home；single chip microcomputer；sensor；water supply system

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，人民的生活開始向舒適性、安全性、高科技、智能化方向發(fā)展，用科技代替人工實(shí)現(xiàn)智能家居已經(jīng)是時(shí)代的主流。縱觀我們的生活，工作日大部分時(shí)間在單位，休息日很多的時(shí)間在鍛煉、在旅游，一年中特別是白天在家的時(shí)間并不多，那么房主離家時(shí)，最擔(dān)心的事情是什么呢？我們通過調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，離家的人們擔(dān)心的就是家中水管漏水。據(jù)估計(jì)，全國因房主不在家而產(chǎn)生的水管爆裂、水龍頭損壞和忘記關(guān)閉水龍頭而產(chǎn)生的漏水現(xiàn)象，給房主造成的經(jīng)濟(jì)損失每年總計(jì)達(dá)數(shù)億元，每年因鄰居漏水而產(chǎn)生的鄰里糾紛有上千起，而每次離家時(shí)手動(dòng)關(guān)閉水總閥門、回家時(shí)手動(dòng)打開水總閥門不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且極易造成水總閥門損壞，因此開發(fā)家居智能供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水的智能化，是智能家居的需要，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

家居智能供水系統(tǒng)，是智能家居的一個(gè)重要方面，本系統(tǒng)以ATM89S52單片機(jī)為控制核心，利用紅外熱釋傳感器檢測家中人員情況，利用流量傳感器檢測水流量判斷家中無人時(shí)是否漏水，利用水壓增壓泵檢測水壓，水壓偏低時(shí)自動(dòng)補(bǔ)壓，同時(shí)具有設(shè)定補(bǔ)壓參數(shù)、漏水報(bào)警、水流量顯示等功能，實(shí)現(xiàn)家居供水的人性化和智能化要求。家居智能供水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)房主離家時(shí)水總閥門自動(dòng)關(guān)閉、房主回家時(shí)水總閥門自動(dòng)打開、水管泄漏時(shí)水總閥門自動(dòng)關(guān)閉、水壓低時(shí)自動(dòng)增壓等功能，使人們遠(yuǎn)離漏水的苦惱，安心工作和娛樂。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 主要硬件系統(tǒng)

家居智能供水系統(tǒng)控制的核心部件采用ATM89S52單片機(jī)，本單片機(jī)具有8位微處理器（CPU）、256B RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、8KB Flash ROM（程序存儲(chǔ)器）、4個(gè)8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）、1個(gè)全雙工的異步串行口、3個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0、T1和T2）、1個(gè)看門狗定時(shí)器、具有6個(gè)中斷源和6個(gè)中斷向量的中斷系統(tǒng)、32個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、低功耗模式有空閑模式和掉電模式且具有掉電模式下的中斷恢復(fù)模式、3個(gè)程序加密鎖定位，片內(nèi)各功能部件通過片內(nèi)單一總線連接而成[1]。如圖2所示。ATM89S52單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制和擴(kuò)展功能，存儲(chǔ)器容量為51單片機(jī)的兩倍，便于連接智能家居的其他部分，使智能供水系統(tǒng)與智能家居的其他部分組成完整的結(jié)構(gòu)。

人體檢測采用PIR（紅外熱釋傳感器）[2]模塊，PIR是專門用于探測人體輻射的紅外線傳感器，人體向外輻射的紅外線中心波長為9～10um，PIR探測元件的波長靈敏度穩(wěn)定范圍為0.2～20um，裝設(shè)在傳感器頂端的濾光片可通過光的波長范圍為7～10um，正好適合人體紅外輻射的探測，在探測器的前方裝設(shè)的菲涅爾透鏡，能夠?qū)⑿盘?hào)放大70分貝以上，能夠測出20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)，對人類沒有輻射，每一個(gè)房間內(nèi)裝設(shè)一個(gè)PIR，即可檢測出家中人員的情況。紅外熱釋傳感器本身不會(huì)產(chǎn)生任何類型的電磁輻射，器件功耗非常低，體積小巧隱蔽性好，不影響房屋的美觀，而且價(jià)格低廉，因此成為檢測人體最常用的傳感器。其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源干擾、被動(dòng)紅外穿透力差、容易被其他物體遮擋等。由于本系統(tǒng)所用的紅外熱釋傳感器是在室內(nèi)使用，因此能夠充分發(fā)揮紅外熱釋傳感器的優(yōu)良性能。

流量監(jiān)測采用水流量傳感器SEN-HZ21FD，它裝在供水管干線上用于測量及控制進(jìn)水流量。當(dāng)水流過傳感器的轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速隨流量成線性規(guī)律變化。水流量傳感器反映靈敏、動(dòng)作迅速、壽命長、安全可靠、啟動(dòng)流量超低（1.5L/min）、連接方便、耐熱耐冷、防水防爆，即可作為水流開關(guān)使用，同時(shí)計(jì)量水流量及流速。[3]

水壓增壓采用水壓增壓泵，水壓增壓泵的工作原理是利用大面積活塞端的低壓氣體驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生小面積活塞端的高壓流體。當(dāng)在大徑空氣驅(qū)動(dòng)活塞施加一個(gè)很低的壓力時(shí)，此壓力會(huì)作用到一個(gè)小面積的活塞上，從而產(chǎn)生高壓，單向閥控制的高壓柱塞就會(huì)連續(xù)不斷的將水排出，借助二位五通氣控?fù)Q向閥，增壓泵能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)工作運(yùn)行。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分和輸出水流部分之間的壓力值差為0時(shí)，增壓泵會(huì)停止增壓運(yùn)行，當(dāng)空氣驅(qū)動(dòng)壓力變大或輸出壓力減小時(shí)，增壓泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，直至再次達(dá)到壓力平衡。

數(shù)字顯示采用LCD1602液晶顯示屏，LCD1602工作電壓為4.5～5.5V，典型5V，工作電流2mA，具有14個(gè)引腳（無背光）或16個(gè)引腳（有背光），其外形及引腳分布如圖3所示。

使用時(shí)，首先通過單片機(jī)向LCD1602寫入命令，對LCD 1602的顯示方式按照顯示要求進(jìn)行修改和選擇，然后通過單片機(jī)將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)寫入LCD1602，即可按照要求的顯示方式將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602的屏幕上。LCD1602液晶顯示器與單片機(jī)ATM89S52的接口電路如圖4所示。家居智能供水系統(tǒng)要求顯示數(shù)據(jù)包括水壓、家中有無人員、流量等。

3 控制流程

家居智能供水系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)控制流程圖如圖5所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化啟動(dòng)，紅外熱釋傳感器開始檢測家中人員情況，如果家中無人則檢測水管流量，有流量時(shí)，說明漏水了，單片機(jī)會(huì)控制執(zhí)行模塊關(guān)閉水總閥門；沒流量時(shí)，單片機(jī)會(huì)延時(shí)20分鐘再讀取一次紅外熱釋傳感器的檢測值，確定無人后，關(guān)閉水總閥門，這樣能夠保證人員短時(shí)離家時(shí)系統(tǒng)不會(huì)頻繁動(dòng)作，提高執(zhí)行元件的使用壽命。如果家中有人，則檢測水總閥門狀態(tài)和水壓情況，使水總閥門處于打開狀態(tài)且保證水壓正常。為了防止系統(tǒng)連續(xù)檢測，增加單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，減小不必要的消耗，系統(tǒng)設(shè)定家中有人時(shí)每間隔10分鐘檢測一次，從家中無人到切斷水供應(yīng)滯后時(shí)間最多30分鐘。當(dāng)有人回家時(shí)系統(tǒng)會(huì)立刻打開閥門，保證水能及時(shí)供應(yīng)。

4 結(jié) 論

水是生命之源，同時(shí)也是破壞之源，離家的人們，對家特別是家中水的安全，一直非常擔(dān)心，由于工作或者旅游等其他原因，家中時(shí)常無人是普遍想象，一旦出現(xiàn)漏水事故，在造成水資源浪費(fèi)的同時(shí)，也伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能引發(fā)鄰里矛盾。家居智能供水系統(tǒng)，旨在解決家中無人時(shí)的漏水隱患，及時(shí)控制漏水事態(tài)，保證用水時(shí)水壓正常，使家中水的控制更加的智能、便捷和可靠，解決戶主正常用水和離家時(shí)的后顧之憂。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張毅剛，趙光權(quán)，劉旺.單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].（第3版）. 北京：高等教育出版社，2016.

[2] 陳永益.紅外熱釋防盜報(bào)警器 [J].信息通信，2018（10）：47-48.

[3] 張瑋，黃凱.基于單片機(jī)的家庭天然氣用水流量監(jiān)測系統(tǒng) [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（9）：1-2.

指導(dǎo)老師：韓云（1975-），女，漢族，山東壽光人，教師，副教授，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)智能控制。