基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用水監(jiān)管系統(tǒng)

摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用水監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)由用水信息采集板卡、微信小程序和OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成。系統(tǒng)采用STM32G070CBT6作為主控芯片，通過水質(zhì)檢測(cè)模塊、水流量模塊、電磁閥模塊、ESP8266-01S WiFi模塊和OneNET云平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用水信息實(shí)時(shí)監(jiān)管、監(jiān)控用水?dāng)?shù)據(jù)記錄和漏水預(yù)警等功能。該系統(tǒng)可以檢測(cè)水質(zhì)、水溫、用水總量、實(shí)時(shí)水流量等用水信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)，方便用戶可以通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)用水信息分析，可以實(shí)現(xiàn)漏水預(yù)警功能。當(dāng)收到漏水預(yù)警時(shí)，用戶可以遠(yuǎn)程關(guān)閉進(jìn)水總閥門，從而避免家庭漏水事故的發(fā)生。本文提出的智能用水監(jiān)管系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于家庭健康飲水和家庭水資源管理具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能用水；水質(zhì)檢測(cè)；漏水預(yù)警；遠(yuǎn)程控制；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

供水公司往往只關(guān)注家庭用水總量和供水水質(zhì)，對(duì)于家庭漏水、入戶水質(zhì)并不檢測(cè)和反饋，并且當(dāng)前供水公司使用的水表只能夠給用戶提供一個(gè)總體用水量。然而，家庭用水常常伴隨著水管破裂、停水時(shí)打開龍頭而忘記關(guān)閉、馬桶偷偷漏水等問題，不但造成水資源的浪費(fèi)，還會(huì)給用戶帶來重大財(cái)產(chǎn)損失[1]。在供水企業(yè)運(yùn)營中，減少供水的漏失率，不但能充分利用水這種不可再生的資源，有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且能夠提高水行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。世界衛(wèi)生組織權(quán)威調(diào)查表明：全世界80%的疾病和飲水污染有關(guān)。所以用戶有必要知道更多用水信息，關(guān)注水質(zhì)情況，做到安全用水，健康飲水。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及和提速，家居生活也在向著智能化方向發(fā)展。隨著人民生活水平的提高，家庭用戶進(jìn)入消費(fèi)升級(jí)階段，消費(fèi)者更加重視生活品質(zhì)[3]。圍繞智能家居理念的家電產(chǎn)品越來越多地滲透進(jìn)家庭中。在當(dāng)前全球能源緊張的大環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保的家居環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)前智能家居領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[4]。因此對(duì)家庭用水過程中所遇到的漏水、水質(zhì)檢測(cè)等問題進(jìn)行總結(jié)分析，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用水在線監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)包括下位機(jī)、OneNET云平臺(tái)、微信小程序三大部分。下位機(jī)以STM32G070CBT6作為主控芯片，結(jié)合水質(zhì)檢測(cè)模塊、水流量模塊、水壓力檢測(cè)模塊、電磁閥控制模塊、ESP8266-01S WiFi模塊和OneNET云平臺(tái)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)管和記錄用水信息、反饋是否漏水等信息，實(shí)現(xiàn)了用水流量檢測(cè)、用水總量監(jiān)測(cè)、飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、漏水預(yù)警、遠(yuǎn)程控制進(jìn)水總閥門等功能。同時(shí)，用戶可以通過微信小程序獲取水流量、用水總量、TDS值和預(yù)警值等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下位機(jī)、云平臺(tái)與微信小程序三大部分構(gòu)成。下位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要由 STM32G070CBT6控制器、水流量檢測(cè)模塊、ESP8266-01S WiFi模塊、電磁閥控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、TDS檢測(cè)模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。下位機(jī)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)用水信息的全面監(jiān)測(cè)和漏水預(yù)警功能。通過流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流量大小，對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算可得用水總量；根據(jù)單次用水時(shí)長判斷是否出現(xiàn)漏水。通過TDS水質(zhì)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集自來水TDS值，并通過溫度傳感器測(cè)得當(dāng)前水溫，以補(bǔ)償溫度對(duì)TDS測(cè)量結(jié)果的影響。云平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)顯示。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32G070CBT6處理打包之后，通過ESP8266-01S WiFi模塊按照MQTT協(xié)議發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)OneNET云平臺(tái)。微信小程序?qū)崟r(shí)從OneNET云平臺(tái)通過MQTT協(xié)議獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。當(dāng)小程序收到系統(tǒng)發(fā)出的漏水預(yù)警時(shí)，用戶則可以通過小程序遠(yuǎn)程發(fā)送關(guān)閉進(jìn)水總閥門的控制指令至下位機(jī)，STM32G070CBT6解析相應(yīng)命令，控制進(jìn)水電磁閥門關(guān)閉，從而避免漏水事故發(fā)生。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32G070CBT6單片機(jī)作為主控，電路系統(tǒng)包括TFT顯示模塊、WiFi通信模塊、流量計(jì)、復(fù)位電路、水質(zhì)檢測(cè)模塊、電源模塊、蜂鳴器模塊、電磁閥控制模塊、按鍵控制模塊與工作指示燈。由于篇幅有限，這里僅對(duì)主控芯片、水質(zhì)檢測(cè)電路、流量計(jì)、WiFi模塊、電磁閥模塊、電源電路進(jìn)行介紹。

2.1 主控芯片

STM32G070CBT6是ST（意法半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的主流微控制器，基于高性能ARM?Cortex?-M0+32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)64 MHz，適用于消費(fèi)者、工業(yè)和家電領(lǐng)域，并為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案做好了準(zhǔn)備[5]。因此，選擇STM32G070CBT6作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片。該芯片是連接流量傳感器、TDS檢測(cè)傳感器、LCD顯示模塊和電磁閥模塊協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵。該芯片通過其定時(shí)器捕獲的功能測(cè)得流量傳感器的脈沖頻率，并將脈沖轉(zhuǎn)化為流量數(shù)據(jù)；通過該芯片的ADC通道實(shí)時(shí)獲取采樣電阻電壓，并轉(zhuǎn)換為TDS值；獲取到數(shù)據(jù)后可以通過LCD屏幕將實(shí)時(shí)流量、用水總量和水質(zhì)TDS值直觀地顯示在家庭用戶面前。通過該芯片的通用定時(shí)器計(jì)時(shí)的方式來判斷是否出現(xiàn)了家庭漏水情況。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用220 V交流輸入且12 V、1 A直流輸出的電源適配器作為輸入電源。12 V電源直接為電磁閥和流量計(jì)供電。12 V輸入電壓經(jīng)過XL1509-5.0 DC-DC降壓芯片降至5.0 V，如圖2所示。5 V電壓經(jīng)過兩片LM1117-3.3 V LDO模塊降至

3.3 V，分別為ESP8266和主控制器供電等電路模塊提供電源。

2.3 水質(zhì)TDS檢測(cè)電路

飲用水TDS檢測(cè)目前都是采用探針測(cè)量的方式[6]，總?cè)芙夤腆w（TDS）是指水中所有溶解的無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的總量。通過使用特定電極測(cè)量水樣電導(dǎo)率并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為TDS值[7]，將探針置于水中，施加直流脈沖激勵(lì)信號(hào)，從而使探針兩端實(shí)現(xiàn)交變的直流電壓，測(cè)定探針兩極電壓，計(jì)算出水的TDS值。但是這種方式下需要長期在探針兩端加入同一方向的電壓，容易產(chǎn)生寄生電容，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱的正反TDS測(cè)定方法。將探針的一個(gè)電極通過精度為1%的采樣電阻連接至MCU的輸出口；另一個(gè)電極也通過采樣電阻連接至MCU的另一個(gè)輸出口。這樣就可以實(shí)現(xiàn)交變信號(hào)，有效地避免極化效應(yīng)和電容效應(yīng)。

2.4 流量檢測(cè)傳感器

流量傳感器的工作電壓為12 V。該傳感器使用簡(jiǎn)單，只須串聯(lián)在供水管道中，傳感器就會(huì)輸出脈沖信號(hào)，該信號(hào)與STM32G070CBT6處理器的PA8接口相連接，可以通過定時(shí)器的捕獲模式準(zhǔn)確計(jì)數(shù)脈沖。

2.5 顯示模塊

系統(tǒng)顯示模塊采用1.8寸LCD顯示屏，與主控制器采用SPI方式通信，可以達(dá)到非常高的像素密度和分辨率，使得圖像更加細(xì)膩、清晰、真實(shí)[8]。在本系統(tǒng)中，TFT液晶顯示屏主要用來顯示家庭用水的水質(zhì)、用水量、實(shí)時(shí)流量、漏水預(yù)警情況等信息。

2.6 WiFi通信模塊

本設(shè)計(jì)采用ESP8266-01S WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與OneNET云平臺(tái)之間的通信。主控制器獲取的用水?dāng)?shù)據(jù)通過ESP8266發(fā)送至中國移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)；同時(shí)，ESP8266接收到來自用戶通過云平臺(tái)下發(fā)的控制指令，并將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至下位機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)電磁等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.7 電磁閥控制模塊

電磁閥采用12 V的水用常閉電磁閥門，最大水壓為0.7 MPa，一般家用自來水的水壓大致在0.2～0.5 MPa之間，完全可以滿足家庭用戶的要求。該水用電磁閥門使用簡(jiǎn)單，只需要將其串聯(lián)在家庭供水管道手動(dòng)總控制閥門之后即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)微信小程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)初始化程序和核心引用程序兩大部分。本系統(tǒng)下位機(jī)程序采用STM32CubeMX和Keil軟件開發(fā)。通過STM32CubeMX圖形化代碼生成工具，完成STM32G070芯片外設(shè)的初始化，核心應(yīng)用代碼采用Keil軟件開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)初始化

STM32G070芯片初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，以及GPIO、ADC、定時(shí)器1、定時(shí)器6、定時(shí)器7、串口1、串口2等所用到外設(shè)的初始化。

3.2 下位機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)

下位機(jī)核心應(yīng)用程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、漏水預(yù)警程序、數(shù)據(jù)顯示程序、數(shù)據(jù)上傳程序、指令接收程序。采用C語言設(shè)計(jì)，基于Keil環(huán)境開發(fā)。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集處理程序

數(shù)據(jù)采集程序主要實(shí)現(xiàn)流量傳感器數(shù)據(jù)采集和水質(zhì)數(shù)據(jù)采集。流量傳感器輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，通過定時(shí)器1的捕獲輸入模式，捕獲外部脈沖并對(duì)其計(jì)數(shù)，可以提高脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度。

水質(zhì)TDS數(shù)據(jù)采集程序流程如圖3所示。采用雙極性方波進(jìn)行檢測(cè)，它是一種周期性方波，具有兩個(gè)方向的電平變化，可以提高信號(hào)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性[9]。首先在若干毫秒內(nèi)，TDSC1輸出100 Hz的脈沖信號(hào)，TDSC2輸出低電平，電流方向由TDSC1流向TDSC2。啟動(dòng)TDS_ADC1和TDS_ADC2進(jìn)行電壓采樣并轉(zhuǎn)換，采集電極兩端的電壓。在若干毫秒后，TDSC2輸出100 Hz的脈沖信號(hào)，TDSC1輸出低電平，電流方向由TDSC2流向TDSC1。啟動(dòng)TDS_ADC1和TDS_ADC2進(jìn)行電壓采樣與轉(zhuǎn)換，再次采集電極兩端的電壓。對(duì)于兩次采樣的電壓求平均值然后計(jì)算處理可得到水質(zhì)TDS值。

3.2.2 漏水預(yù)警程序

當(dāng)有流量通過時(shí)，STM32G070的定時(shí)器6開始計(jì)時(shí)，一旦計(jì)時(shí)時(shí)間超過設(shè)定的報(bào)警時(shí)間（此時(shí)間根據(jù)連續(xù)正常使用時(shí)間確定，有用戶根據(jù)用水習(xí)慣設(shè)置），則會(huì)判斷為漏水現(xiàn)象。系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥門或者由用戶通過微信小程序遠(yuǎn)程關(guān)閉電磁閥門，停止家庭供水，從而避免漏水事故的發(fā)生。其程序流程如圖4所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)顯示程序

STM32處理器獲得的流量數(shù)據(jù)、用水總量、水質(zhì)TDS值、單次用水時(shí)長、電磁閥狀態(tài)、WiFi狀態(tài)等數(shù)據(jù)均可在LCD屏上顯示，如圖5所示。

3.2.4 數(shù)據(jù)上傳程序

主控制器獲取的用水?dāng)?shù)據(jù)通過ESP8266上傳至中國移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，其流程如圖6所示。

首先將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照協(xié)議打包，其次在數(shù)據(jù)上傳前要確定ESP8266接入了OneNET云平臺(tái)，然后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作。

3.2.5 指令接收程序

指令接收程序主要完成對(duì)小程序發(fā)送的指令接收及指令解析，其流程如圖7所示。當(dāng)串口接收到完整的一幀數(shù)據(jù)，進(jìn)行指令解析?？刂浦噶钪饕袃蓷l：電磁閥開關(guān)控制令和手動(dòng)自動(dòng)模式切換指令。

3.3 微信小程序

微信小程序相較于一般手機(jī)APP具有方便快捷、界面簡(jiǎn)潔、節(jié)省空間等優(yōu)勢(shì)[10]，因此作為上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的客戶端顯示和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。用戶可以根據(jù)小程序界面上的手機(jī)按鈕和電磁閥開關(guān)按鈕進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)模式切換以及電磁閥門的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)用戶按下相應(yīng)按鈕之后就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的函數(shù)，在函數(shù)內(nèi)通過HTTP協(xié)議對(duì)OneNET云平臺(tái)下發(fā)控制命令，如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能用水監(jiān)管系統(tǒng)在水資源利用管理和健康飲水方面具有重要意義。該系統(tǒng)通過各種傳感器實(shí)時(shí)采集水質(zhì)、水溫、用水總量和漏水等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行分析，從而幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決用水問題。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制功能，用戶可以通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)閥門開關(guān)控制，輕松避免家庭漏水事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的智能用水監(jiān)管系統(tǒng)不僅具有實(shí)用性，而且可擴(kuò)展性較強(qiáng)，可以推廣到各個(gè)領(lǐng)域，如學(xué)校、企事業(yè)單位和工廠等，以促進(jìn)可持續(xù)的水資源利用和管理?？傮w來看，本文的研究成果對(duì)于家庭用水的安全管理、安全用水和健康用水具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介：徐夢(mèng)平（2001—），男，本科在讀，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。

馬艷彬（1988—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

馬昊悅（2003—），女，本科在讀，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)。