曹行 張立增 尹輝娟

【摘要】 針對(duì)學(xué)生公共水房刷卡接水，取卡停水時(shí)往往有水溢出的情況，提出了以基于HX711的重力傳感器以及Zigbee模塊為核心器件的自動(dòng)節(jié)水方案。將重力感應(yīng)器與Zigbee模塊協(xié)調(diào)器連接，Zigbee終端模塊與繼電器相連。當(dāng)物體重量達(dá)到一定數(shù)值后，Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與Zigbee終端進(jìn)行通信，從而控制繼電器的閉合和斷開。

【關(guān)鍵字】 重力傳感器 Zigbee模塊 節(jié)水

Abstract：When fetch water， students may encounter an annoying situation that the water supply cannot correctly shut off even after the removal the card. To address this issue， we propose an automatic water saving scheme. The core component are gravity sensor based on HX711， and Zigbee module. Connected the gravity sensor with Zigbee coordinator module， and Zigbee moduler with relays， when the weight of the object reaches a certain value， the Zigbee coordinator module will communicate with Zigbee terminal， enabling the control of the relays closing and opening.

Key words：gravity sensor Zigbee module display module Save water

一、引言

目前在眾多學(xué)校、單位等公共水房都采用刷卡接水的模式，并且沒有傳統(tǒng)的水龍頭控制，這就造成了取卡不及時(shí)而浪費(fèi)水資源的情況。日積月累浪費(fèi)水的數(shù)量是巨大的，對(duì)此，我們利用重力傳感器、Zigbee模塊做出了一套可以自動(dòng)停水的裝置，達(dá)到了節(jié)水的目的。

二、總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由兩大部分組成：重力傳感器模塊、Zigbee模塊。重力傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)重量，Zigbee模塊負(fù)責(zé)判斷重量是否達(dá)到設(shè)定值、通信以及控制繼電器的開關(guān)。

將水壺放在重力傳感器的底座上，當(dāng)刷卡時(shí)重力傳感器的數(shù)值初始化，出水后水壺的重量會(huì)增加，重量達(dá)到設(shè)定值后，Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與Zigbee終端進(jìn)行通信，Zigbee終端接到信號(hào)后會(huì)及時(shí)關(guān)閉水龍頭，達(dá)到了節(jié)水的目的。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 基于CC2530的Zigbee模塊

在水房中會(huì)有許多接水處，如果采用CC1101無線收發(fā)模塊等進(jìn)行通信，各節(jié)水裝置之間必會(huì)產(chǎn)生干擾。為了解決干擾問題，本設(shè)計(jì)采用了基于CC2530的Zigbee的模塊。TI公司的推出的CC2530是第二代的Zigbee 收發(fā)器，主要用于2.4 GHz的ISM頻段（具有16個(gè)不同的信道）[1]。其集成了1個(gè)高性能的RF收發(fā)器和1個(gè)優(yōu)化的低功耗的8051微控制器內(nèi)核。正常工作需要的電壓：2-3.6V，典型輸入數(shù)值為3.3V。主要包含：電源接口、ADC接口、RS232接口、仿真接口、天線接口、擴(kuò)展接口。

Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與重力傳感器模塊連接圖如圖2所示。

3.2 重力傳感器模塊

本裝置采用基于HX711的重力傳感器，HX711A/D轉(zhuǎn)換模塊集成了：穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路，模塊采用21位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711，具有兩路輸入模擬通道，內(nèi)部集成128倍增益可編程放大器[2]。輸入電路可配置為提供橋壓的電橋式（如壓力、稱重）傳感器模式，具有集成度好、響應(yīng)快、抗外界干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以其是一款理想的精度高、價(jià)格低的前端采樣模塊。

3.3 繼電器電路

繼電器由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和被控電路構(gòu)成，控制電路由器件三極管和發(fā)光二極管D1組成；驅(qū)動(dòng)電路由光電晶體管D2和整流器JK組成。當(dāng)給控制電路兩端加上電壓后，會(huì)有電流流過發(fā)光二極管D1，二極管發(fā)出光線；驅(qū)動(dòng)電路中的光電二極管D2吸收到控制電路中發(fā)光二極管發(fā)出的光線，產(chǎn)生很大的電流，從而觸發(fā)整流器給負(fù)載電路產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。當(dāng)控制電路兩端沒有電壓時(shí)，發(fā)光二極管沒法給驅(qū)動(dòng)電路中的光電晶體管發(fā)送光線，所以整流器沒法產(chǎn)生電流，沒法驅(qū)動(dòng)負(fù)載[3]。

本裝置采用了高電平觸發(fā)方式，當(dāng)繼電器的IN端口輸入為高電平時(shí)，繼電器才會(huì)跳變。IN端口與Zigbee終端模塊的P0_6 I/O口相連，同時(shí)給繼電器提供5V電源供電。

四、軟件設(shè)計(jì)

（1）首先對(duì)Zigbee進(jìn)行初始化，通過程序配置兩個(gè)Zigbee模塊分別為協(xié)調(diào)器模塊和終端模塊，并設(shè)定Zigbee模塊間的信道。

（2）初始化重力傳感器模塊，在程序中設(shè)定臨界的重量值。

（3）重力傳感器采集數(shù)據(jù)并傳給Zigbee協(xié)調(diào)器，當(dāng)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)執(zhí)行通信函數(shù)。

（4）Zigbee終端模塊判斷是否收到協(xié)調(diào)器指令，判斷收到指令后來控制繼電器的關(guān)閉。

軟件流程圖如圖3所示。

五、測(cè)試與結(jié)果

根據(jù)智能節(jié)水器電路設(shè)計(jì)出如圖4所示的實(shí)物圖

測(cè)試步驟如下：

（1）通過程序設(shè)定臨界重量為5g。

（2）給Zigbee模塊模塊上電。

（3）將重力傳感器模塊、Zigbee模塊初始化。

（4）第一次在重力傳感器上放1g砝碼，此時(shí)兩個(gè)Zigbee模塊沒有通信。

（5）第二次在重力傳感器上放5g砝碼，此時(shí)兩個(gè)Zigbee模塊開始通信。

經(jīng)測(cè)試智能節(jié)水器反應(yīng)靈敏，可以及時(shí)控制水龍頭，從而達(dá)到節(jié)水的目的，體現(xiàn)了節(jié)能減排的理念。

六、結(jié)論

此系統(tǒng)達(dá)到了自動(dòng)節(jié)水的目的，能有效的節(jié)約水資源，智能節(jié)水器有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

智能節(jié)水器采用了Zigbee的通信方式，Zigbee具有低能耗、自組織、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，且由于信道的劃分，避免了各個(gè)節(jié)水器之間的信號(hào)干擾。

此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝，具有了很好的推廣性。

后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便，維護(hù)要求低。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉欣茹.Zigbee無線窗控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014：5-6.

[2] 王小娟.基于HX711數(shù)顯稱重儀的設(shè)計(jì)[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，01：36-38.

[3] 聶川，秦會(huì)斌.基于ZigBee的電風(fēng)扇一繼電器控制[J].電子與封裝，2015，09：44-47.