水箱漏水智能監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周秀珍

（武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢，430072）

0 引言

目前，大多數(shù)高層居民樓儲水設(shè)備為水箱，儲水箱多安裝在樓頂或偏僻場所，一般通過人工定時巡查檢測水箱情況，一旦水箱出現(xiàn)漏水，很難及時被發(fā)現(xiàn)，會造成水資源浪費。對于檢測漏水的儀器有很多，國外很早就開發(fā)了實用性較強的輕型檢漏儀，提高了檢測設(shè)備的可靠性和準確性。但檢漏儀通常比較昂貴，在管道，機房，倉庫等地用得比較多。而國內(nèi)外關(guān)于漏水檢測的儀器和傳感器有多種，有音聽檢測，通過聽各點聲音檢測是否漏水，但這種檢測不能持續(xù)對水箱進行自動檢測；有漏水感應(yīng)線纜，通過檢測線纜回路的電阻變化來確定是否漏水，將它埋設(shè)到機房或者纏繞到管道比較容易檢測到漏水情況和漏水點，但是對于水箱檢測操作起來不是很方便；還有無線針式漏水檢測傳感器，傳感器地腳有4 個針，漏水時通過水的導電性使任意兩個點聯(lián)通發(fā)出信號，但這種多用于家中易漏水點的檢測，對于室外較大型水箱并不適合。且大多數(shù)漏水檢測傳感器多要接觸見到水才能發(fā)出有效信號，不能直接適用了居民儲水箱。本文研究和設(shè)計了一種儲水箱漏水智能監(jiān)測和報警控制系統(tǒng)，可以對水箱漏水進行實時檢測、監(jiān)控和報警，以減少水的浪費，為節(jié)約水資源做貢獻。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的儲水箱漏水智能監(jiān)測報警系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，采用5 個主要模塊組成整個系統(tǒng)：檢測模塊，單片機控制模塊、通信模塊、顯示執(zhí)行模塊，數(shù)據(jù)終端模塊。本系統(tǒng)通過檢測模塊采集水箱相關(guān)信號，給單片機控制模塊進行處理和判斷是否漏水及實時水位，經(jīng)通信模塊傳送到數(shù)據(jù)終端和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊實現(xiàn)對水箱就地或者遠程有效控制。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■1.1 檢測模塊

檢測模塊主要實現(xiàn)對水箱漏水情況的檢測。傳統(tǒng)的漏水檢測傳感器一般都需要積水達到一定的程度才能進行有效的檢測[1]，但水箱漏水多發(fā)生地較為緩慢，且漏水的點不固定，等采集到有效的水量時，很有可能已經(jīng)漏了很多水了，等發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)造成了浪費；并且大部分水箱安裝在室外，由于下雨造成的積水也會產(chǎn)生假性檢測，誤認為是水箱漏水，所以采用傳統(tǒng)的漏水檢測傳感器，并不能及時有效的檢測到水箱是否漏水。

本系統(tǒng)在這里主要采用間接檢測法來檢測漏水情況。僅單純采用水位傳感器只能檢測水位的高低，但影響水位高低的因素有很多，有因進水閥打開的水箱進水，也有因居民用水產(chǎn)生的出水，而且居民用水量并沒有一定的規(guī)律，因此水箱水位的突然降低可能是因為漏水引起來的，但也有可能是居民集中用水突增引起，所以僅靠判斷水位高低并不能精確的確定水箱是否漏水。綜合這些因素，本系統(tǒng)設(shè)計了間接漏水檢測法，其原理如圖2 所示，在水箱進水管處安裝水流量傳感器檢測進水量，在水箱的出水管處也安裝水流量此處主要檢測出水流量，在水箱的底部放置水壓傳感器，主要用于水箱水位高度變化的檢測。當單位時間內(nèi)進出水流量之差剛好等于水位的變化引起的水箱水容量變化，認為不漏水；當進出水的水流量之差與水位的變化引起的水箱水容量變化相差很大，則認為漏水。同時還可以實時地監(jiān)測水箱的水位情況，以預防停水。

圖2 水箱漏水檢測結(jié)構(gòu)圖

水壓力傳感器這里主要采用，輸出信號為4～20mA 的電流模擬信號，這里可以直接A/D 轉(zhuǎn)換模塊進行出處理。水流量傳感器為霍爾水流量傳感器，這里主要輸出的為脈沖信號，可以直接接到單片機的數(shù)字量IO 口進行處理。傳感器如圖3 和圖4 所示。

圖3 水流量傳感器

圖4 水壓傳感器

■1.2 通信模塊

通信模塊，主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。由于水箱多安裝在樓頂或偏僻場所，故就算檢測模塊檢測出正在漏水，而管理員并不在現(xiàn)場也不能及時的關(guān)閉水閥和處理漏水的情況，而通信模塊可通過控制模塊將漏水情況及時地傳遞到不在現(xiàn)場管理人員。

本系統(tǒng)的通信模塊主要采用ESP8266 無線模塊，如圖5 所示。ESP8266 是一款高性能的WiFi 串口模塊，內(nèi)部集成了MCU 能實現(xiàn)單片機之間串口通信。是目前使用最廣泛的一種WiFi 模塊之一。它可以和ARM 芯片進行直接的交互，也可以直接和手機APP 進行交互，經(jīng)過控制核心檢測和判定的結(jié)果。

圖5 ESP8266 WiFi 模塊

圖6 STM32F103C 單片機

■1.3 單片機控制模塊

單片機控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，它負責對檢測模塊采集的信號進行處理，以判斷水位的高低計算水箱實時水位，根據(jù)進出水量和水位高低變化計算判斷水箱的漏水情況；同時根據(jù)漏水情況與否通過通信模塊向遠程手機APP報警，也可直接對執(zhí)行模塊進行電磁閥的閉合操作；還可以接LCD 顯示模塊，對水位情況，以及漏水情況進行顯示和報警。

本系統(tǒng)的控制核心采用32 位的ARM 芯片，其型號為STM32F103C8T6，它是一款由意法半導體公司（ST）推出的基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器，硬件采用LQFP48 封裝，屬于ST 公司微控制器中的STM32 系列。內(nèi)部有多個GPIO 可對開關(guān)信號進行接收，同時也集成了2個12bit 的ADC 和4 個16bit 定時器/計數(shù)器。ADC 可直接對傳感器模擬量信號進行采集和處理，這里可以直接對水壓信號進行采集和處理判斷，通過CPU 可以計算出實時水位，以及上個單位時間內(nèi)水的變化量。使用內(nèi)部計數(shù)器對通過GPIO 采集水流量傳感器脈沖信號進行計數(shù)，通過具體數(shù)值計算出實際的水流量。通過GPIO 給通信模塊和LCD 顯示執(zhí)行模塊傳遞指令信號。具體的信號控制圖如圖7 所示。

圖7 STM32F103C 信號控制圖

圖8 OLED 液晶顯示模塊

■1.4 顯示執(zhí)行模塊

顯示執(zhí)行模塊主要包括二大部分，顯示模塊和執(zhí)行模塊。顯示模塊主要實現(xiàn)水位情況、漏水情況及報警的情況的顯示，這里通過單片機將計算處理的相關(guān)信號和結(jié)果傳送到LCD 上進行顯示，本系統(tǒng)采用小型OLED12864 的液晶顯示屏[2]，可直接安裝在水閥旁邊，便于管理人員隨時能直接觀察到水箱情況，同時還可配置蜂鳴器等模塊進行報警提示。執(zhí)行模塊主要執(zhí)行相關(guān)的處理操作包括打開和關(guān)閉各種電池閥等。

2 漏水檢測的原理和實現(xiàn)

■2.1 間接漏水檢測原理

間接漏水檢測法，是通過計算水箱進水量和出水流量，以及水箱實際變化的容量，通過比較單位時間內(nèi)進出水之差和實際容量變化之差，來判斷漏水情況。因此關(guān)鍵是單位時間內(nèi)水箱進水量和出水量的測量和計算，以及水箱實際容量的變換測量和計算。

本系統(tǒng)的中進出水量的測量主要是通過水流量傳感器，本系統(tǒng)的漏水檢測是主要是通過水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來測量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負載電阻，同時通上5V 的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當水通過渦輪開關(guān)推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于渦輪流量計的輸出脈沖信號頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，因此CPU通過計數(shù)器對接收到脈沖信號進行計數(shù)，并啟動定時，通過單位時間t 的脈沖數(shù)(設(shè)脈沖數(shù)為n)，就計算出轉(zhuǎn)速，再正比（假設(shè)比例系數(shù)為K）與水流量即可計算出單位時間內(nèi)水流量，水流量=K*n/t。通過在進水管和出水管的水流量檢測器的信號采集就可以計算出整個進水量和出水量。

而檢測水位高度的主要采用壓強傳感器，根據(jù)P=ρgh，根據(jù)壓強可以檢測出實時高度，根據(jù)壓強的變化可以推算出高度的變化，根據(jù)水箱的形狀可以計算出水箱的橫截面面積（假設(shè)為S），那么水箱在單位時間內(nèi)的變化量ΔV=SΔh。

假設(shè)進水量為V1=K*n1/t，出水量V2=K*n2/t，那么水箱的凈增長量Vj=V1-V2。比較水箱凈增長量和水箱的變化量，就可以判斷出水箱的漏水情況。再根據(jù)漏水量的多少，判斷漏水的嚴重性。將單個單位時間漏水量進行累加就可以計算出累積漏水量。

漏水的判斷規(guī)則如下：

(1)特別說明這里的Vj始終是進水量減出水量，即水的凈增長量；而水箱的體積變化量ΔV，始終為當前時間的水量減去前一個時間點的，即水箱中水容量的增長量；

(2)當Vj-ΔV大于10ml（單位時間以1 分鐘為計），即1 個小時漏了0.6L 水，則認為水箱嚴重漏水；

(3)當Vj-ΔV大于3ml（單位時間以1 分鐘為計）小于10ml，水則認為水箱漏水了；

(4)當Vj-ΔV小于3ml 大于1ml（單位時間以1 分鐘為計），則認為水箱輕微漏水；

(5)當Vj-ΔV小于-2ml（單位時間以1 分鐘為計），則認為可能進出水傳感器出現(xiàn)問題，因為水的凈增長量不可能小于水的容量的增長量，即水箱里面的水容量增長了，但是水沒有增長，這種情況不可能，所以這樣只可能是傳感器出了問題；

(6)同時還可將漏水量累計起來，計算總漏水量。

■2.2 漏水檢測的軟件實現(xiàn)

根據(jù)檢測原理和漏水判斷規(guī)則，漏水檢測的程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖9 所示。首先對采集的數(shù)據(jù)進行處理，分別計算水流量、水箱凈增長量和實際水箱的增長量，再替換存儲當前值和上個時間點值，計算單位時間漏水量和累積計算漏水總量。根據(jù)單位時間的漏水量分級判斷漏水級別，以后需按照相應(yīng)的級別進行控制處理。

圖9 漏水判斷流程圖

3 漏水智能檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

通過漏水檢測的設(shè)計與實現(xiàn)，可實現(xiàn)對漏水情況的判斷和水箱實時位置的判斷。單片機主控芯片則根據(jù)檢測的結(jié)果進行分級報警警示和報警處理。主要的流程如圖10 所示。同時還會將相關(guān)的信息進行整合和顯示在近端的LCD 和遠端的手機APP 上。

圖10 水箱智能監(jiān)測報警系統(tǒng)流程圖

整個系統(tǒng)主要分為以下幾個功能：

(1)初始化處理

單片機上電后，先進行初始化，初始化主要包括定時器，OLED，A/D 接口等模塊的初始化。定時器模塊主要是便于實現(xiàn)單位時間內(nèi)定時和對進出水量的脈沖計數(shù)，OLED 做好顯示的準備，A/D 接口便于直接處理外部的壓強傳感器信號以計算進出水量。

(2)漏水功能檢測和處理

初始化完成后進行數(shù)據(jù)采集處理，調(diào)用漏水判斷處理程序，判斷漏水情況。根據(jù)漏水檢測程序的處理，獲取的漏水情況有，嚴重漏水，漏水，輕微漏水和不漏水，以及故障狀態(tài)；再根據(jù)漏水的嚴重程度進行分級報警，同時進行不同的控制處理。當漏水嚴重，立即進行關(guān)閉進水閥，同時聲光報警，并將報警信息遠程發(fā)送到管理員手機上，提醒管理人員，立即趕到現(xiàn)場檢修并處理；如果一般漏水，則不關(guān)閉水閥，但會報警，并將報警信息發(fā)送到遠程管理員手機APP 上，通知管理員趕到現(xiàn)場檢修和處理；如果是輕微漏水，則會顯示漏水量，并將預警信息遠程發(fā)送到手機APP 上，提醒管理員可能會漏水，進行巡查和檢修。如果不漏水，則不報警，但是也會將水箱的實時位置，及用水量等相關(guān)信息進行顯示和發(fā)送到遠程APP 上，進行日常監(jiān)視。如果是出現(xiàn)傳感器故障狀態(tài)，也會提醒管理員到現(xiàn)場檢測和判斷是否傳感器存在故障，以進行更換。

(3)信息檢測與顯示

不管是否存在漏水，漏水情況如何都會將水箱的常規(guī)信息在近端的LED 顯示，同時也會通過通信模塊與手機進行互通，將液位、水壓、進出口水流量、耗水量等數(shù)據(jù)保存到服務(wù)器終端，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)整合，形成大數(shù)據(jù)智能交互系統(tǒng)。管理員可根據(jù)個人意向，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，并可在嚴重漏水時遠程控制關(guān)閥。

4 結(jié)論與存在問題

通過搭建小型單片機系統(tǒng)，進行簡單的模擬測試，基本上可以實現(xiàn)系統(tǒng)的分級報警，以及遠程數(shù)據(jù)交互，遠程控制電磁閥等功能，實現(xiàn)水箱漏水檢測，智能報警和遠程監(jiān)控等功能。主要存在以下優(yōu)點：

(1)智能管理，省時省力。通過各傳感器與單片機之間的信息交互來實現(xiàn)漏水監(jiān)測，并經(jīng)由WiFi 模塊短信預警、遠程關(guān)閥，省去不必要的人力、精力，靈敏度高，控制便利。(2)響應(yīng)靈敏，性價比高。將單片機作為控制核心的儲水箱漏水智能監(jiān)測報警系統(tǒng)，成本低廉，響應(yīng)靈敏，控制方便，性價比高。(3)及時發(fā)現(xiàn)漏水，有效節(jié)約水資源。小區(qū)能及時有效地發(fā)現(xiàn)水箱漏水情況，有效管理水箱節(jié)約用水，保護水資源。

但也存在一些問題，后期有很多地方需要努力，主要包含以下方面：

(1)測試還需更進一步加強，針對實際的儲水箱和進出水閥進行有效測試，以及考慮不同水箱形狀，安裝位置，來綜合考慮傳感器安裝以及水箱容量計算等細節(jié)方面地進行深入調(diào)試。(2)漏水檢測目前對象還比較單一，借助水箱漏水監(jiān)測控制的成功經(jīng)驗，將創(chuàng)意能延伸擴展到油箱等其他液體類容器漏液監(jiān)測上去，在其他的行業(yè)和生產(chǎn)等過程中也發(fā)揮重大的意義。(3)目前只是實現(xiàn)單個水箱的檢測和水位管理，后期可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)+和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大數(shù)據(jù)不斷融合，接入到整個片區(qū)的智慧生活網(wǎng)絡(luò)中去，嘗試打造居民互聯(lián)網(wǎng)+的智慧生活。