費文緒/編譯

安裝家用無線水表

費文緒/編譯

●注意對Arduino微控制器和樹莓派（Raspberry Pi，基于Linux系統(tǒng)的單板機電腦）的使用。

我曾經(jīng)住過的加利福尼亞州干旱嚴重，幸虧我現(xiàn)在居住的北卡羅來納州更為濕潤，不過即便這里，也曾有數(shù)年時間缺水，要求人們節(jié)約用水。

大多數(shù)人都樂意遵守這樣的要求，但是，當你的用水信息只是通過每月一次的水費單來了解時，節(jié)約用水并不是那么容易做到。當然，你可以通過定期關注你家的水表讀數(shù)來更精細地跟蹤用水量，但是誰能堅持這么做呢？所以，我自己組裝了一個用水量監(jiān)測器，能實時顯示我家的用水量。

我的監(jiān)測系統(tǒng)不需要改建水管，而且通過我家的無線網(wǎng)傳輸信息，所以，我能在家中任何一臺聯(lián)網(wǎng)的設備上看到用水量?，F(xiàn)在，當我十幾歲大的孩子們在淋浴中恣意揮霍用水時，我就可以用定量的測量數(shù)據(jù)訓斥他們。

為了測量市政供水流量，我使用了一個數(shù)字指南針（一個2軸磁力計），是我以前從電子產(chǎn)品零售商SparkFun Electronics購買的，作為定向儀使用?，F(xiàn)在SparkFun不再出售該組件，但是你只需花更少的錢（15美元），就能買到一個3軸磁力計，和以前的2軸磁力計一樣好用甚至更好用。

因為機械水表的工作方式，磁力計在這里很有價值。在實際中，為了把水表的齒輪與水隔離開來，轉(zhuǎn)子通常連到分離室的磁鐵中，水流通過該分離室流動。當水轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子時，這塊磁鐵會轉(zhuǎn)動水表齒輪箱中的另一塊磁鐵。如此一來，這些成對的磁鐵就在水表周圍形成了一個磁場，磁場會隨著水流快慢而變化。

我推斷，由磁耦合機制導致的磁場變化會在水表外部提供一個強烈的信號。而實際上，磁信號相當微弱，很可能是由于如下幾個原因：水表的鋼鐵外殼可能屏蔽了水表的內(nèi)部磁場，而且水表內(nèi)部的移動零件很可能包括各種鋼鐵成分，會以更高的頻率產(chǎn)生以假亂真的磁場。至少我是這么懷疑的，不管怎么說，我不得不處理一片混亂的信號。

液體數(shù)據(jù)

為了遠程監(jiān)測流過我家水表的水流，我在水表上附加了一個磁力計，并用一個Arduino微控制器讀取和處理原始數(shù)據(jù)。Arduino通過電線向樹莓派發(fā)送數(shù)據(jù)，樹莓派會生成一個簡單的網(wǎng)頁顯示用水量，我能在我家的Wi-Fi網(wǎng)絡中訪問該網(wǎng)頁。

所以我面臨的第一個挑戰(zhàn)是給一個連到磁力計上的Arduino編程，把充滿噪音的磁信號轉(zhuǎn)換成水的流速。我原本構(gòu)想的是利用傅立葉變換挑選出與水流速相對應的主頻率，但是我反而選擇了自相關，也就是，程序把信號的短樣本乘以其時延樣本，然后進行求和。為了找到主頻率，Arduino的代碼增加了兩個樣本之間的時延，然后在求和結(jié)果中尋找一個峰值。這種算法所需的運算量少得多，似乎對于噪聲和諧波相當管用。

對花園里的水管進行的測試顯示，這樣安排能辨別潺潺流水和噴涌而出的水之間的流速不同。所測水流速的低值受限于Arduino收集數(shù)據(jù)的時間（數(shù)據(jù)處理之前的時間）。我設定的時間大約是3秒鐘，這讓我能測量小到滴水的流速。但是在監(jiān)測最高的水流速方面（比如當我使用一個沒有連接軟管的室外水龍頭時），我的系統(tǒng)就夠嗆了。

你可能以為高流速會產(chǎn)生一個比低流速更易測量的信號，但是事實并非如此。當水流速真的很高時，水表內(nèi)部的磁鐵旋轉(zhuǎn)速度會超過磁力計的最快采樣速度，導致混疊現(xiàn)象。結(jié)果，超過某個流速之后測量到的數(shù)據(jù)其實是無效的。

不過，由于很少遇到水管爆裂的情況，我家還沒有人的用水速率會達到或超過那個閾值，所以我們決定不擔心這個限制，繼續(xù)研究如何進行信息通信。同樣涉及的問題是如何為我放在水表里的Arduino和磁力計供電，而水表跟我的房子是分離的。

解決方法是用一根15米長的四芯電話線，兩根芯把9伏直流電通到Arduino，另兩根芯把數(shù)字信號輸出到樹莓派（利用SparkFun的另一種電板轉(zhuǎn)換到RS-232電壓電平），我把樹莓派放在門廊上一個常用的交流電源插座旁邊。從那里，很容易讓兩個“壁瘤”（即壁式電源）給樹莓派和Arduino供電，而且樹莓派離我的路由器足夠近，能聯(lián)上我家的無線網(wǎng)。

我用Python語言（一種面向?qū)ο?、解釋型計算機程序設計語言）給樹莓派編程，生成一個單獨的網(wǎng)頁，利用Flask框架創(chuàng)建網(wǎng)頁應用程序。網(wǎng)頁顯示了水流速和總用水量，每10秒鐘更新數(shù)據(jù)，并且有一個按鈕讓用水量計數(shù)器復位清零。

我尚未嘗試使我的設置標準化，從而使流速以合理的單位顯示，比如每分鐘多少升。所以，總用水量的數(shù)字現(xiàn)在也是以任意單位給出的。但是，Arduino和樹莓派聯(lián)合起來完成了一件了不起的事情，那就是告訴我相對的水流速。現(xiàn)在我們?nèi)铱梢栽诹茉r互相比賽，看看誰用水最少。

[資料來源：IEEE Spectrum][責任編輯：彥隱]