黃志成 蔡鑫 朱少環(huán) 蔣萬君 李娜 廣州工商學(xué)院 電子信息工程系

2013年1 月30 日，加拿大華裔女士藍(lán)可兒在美國洛杉磯Cecil酒店屋頂?shù)男钏刂心缤?，十多天后才被發(fā)現(xiàn)。在藍(lán)可兒離奇失蹤期間，下榻于Cecil酒店的旅客飲用了十幾天的泡尸水。對于高層住宅樓，都要將自來水泵到樓頂?shù)乃袑?shí)現(xiàn)二次供水。為了避免類似的事件發(fā)生，保障飲用水的衛(wèi)生與安全，需要對高樓水塔實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。高樓水塔監(jiān)控系統(tǒng)借助移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了遙控水塔入水閥、監(jiān)測水位水溫及異物墜入報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示，系統(tǒng)以STC15W4K32S4單片機(jī)（以下簡稱STC）為核心，入水電磁閥控制水位，超聲波傳感器HC-SR40測水位，溫度傳感器DS18B20測水溫。BC28是無線傳輸模塊，該模塊通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)4G通信，可將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)街袊娦盼锫?lián)網(wǎng)開放平臺，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體電路圖

1.1 單片機(jī)模塊

STC15W系列是近年來宏晶科技公司推出的8位MCU芯片，該芯片無須外部晶振電路，內(nèi)部晶振在5～35MHz范圍內(nèi)可設(shè)置。該芯片可工作于寬電壓（2.6～5.5V）、寬溫度（-40～+85℃）、高靜電等惡劣環(huán)境。

1.2 無線傳輸模塊

BC28模塊是“廣州準(zhǔn)捷電子科技有限公司”開發(fā)的華為Lite One NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，支持B1/B3/B5/B8/B20/B28頻段，支持的方式有AT指令、C、Java等，在multi tone模式下最大上行速率可達(dá)62.5kbps。BC28是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-IOT無線傳輸模塊，插上中國電信物聯(lián)網(wǎng)10649專用卡（NB卡），通過移動(dòng)4G互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。STC與BC28模塊采用通用異步串行通信（UART），全雙工制式，通信波特率為9.6kbps。

1.3 超聲波模塊

HC-SR04是超聲波測距模塊，由超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路組成。該模塊可提供20～4000mm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)1mm[2]。該模塊置于水塔水面以上的一固定位置 ，用于檢測水位數(shù)據(jù)及水位波動(dòng)情況。

1.4 溫度模塊

DS18B20溫度傳感器探頭由不銹鋼封裝接防水導(dǎo)線，置于水塔水中檢測水溫。DS18B20支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?-Wire單總線協(xié)議。其溫度測量范圍為-55～+125℃，精度可達(dá)0.0625℃[3]。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。

1.5 電磁閥控制電路

如圖1所示，常態(tài)下STC的P1.6腳輸出低電平，三極管s8050截止，繼電器J斷電使電磁閥關(guān)閉。若P1.6腳輸出高電平 s8050飽和導(dǎo)通，繼電器J通電使電磁閥打開，將水注入水塔。繼電器J斷電瞬間，二極管IN4742起續(xù)流作用。

2 水位檢測及異物入水判定

2.1 水位測量的原理

如圖2所示，H0為定值，H1為超聲波傳感器到水面的距離，h為水位。超聲波在空氣中傳播速度的經(jīng)驗(yàn)公式v=331.3+0.606×攝氏溫度（m/s）。STC的主頻為12MHz，其計(jì)數(shù)器 T0工作于模式1并為超聲波計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精度為1μs。例如水溫為21℃時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得超聲波速度為v≈344m/s=0.344mm/μs。即水位h的檢測精度可達(dá)1mm。設(shè)超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間為t，則H1=v×t/2，h =H0-H1=H0-v×t/2（mm）。

2.2 異物入水判定

當(dāng)異物特別是動(dòng)物掉進(jìn)水塔，會(huì)使水面產(chǎn)生較大波動(dòng)。系統(tǒng)每秒鐘對水溫水位檢測一次，每5秒鐘對水位求平均值，然后發(fā)送水溫水位數(shù)據(jù)。若5秒鐘內(nèi)最大水位差超過30mm，則檢測到水位波動(dòng)過大，于是發(fā)出警報(bào)信息“warning！”。

圖2 水位檢測原理圖

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3是系統(tǒng)程序框圖，STC加電后完成初始化，入水電磁閥關(guān)閉。若STC沒有收到遠(yuǎn)程命令，通過溫度傳感器測水溫、超聲波傳感器測水位。若水位波動(dòng)較小則發(fā)送水位水溫?cái)?shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)后返回；若水位波動(dòng)過大，即異物落水，發(fā)送警報(bào)信息到網(wǎng)絡(luò)后返回。當(dāng)收到遠(yuǎn)程命令1時(shí)，入水電磁閥開啟后返回；當(dāng)收到遠(yuǎn)程命令0時(shí)，入水電磁閥關(guān)閉后返回。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

圖4是系統(tǒng)運(yùn)行后，傳輸?shù)街袊娦盼锫?lián)網(wǎng)開放平臺上的部分截圖。運(yùn)行環(huán)境以30m高樓頂層上放置大水桶代替水塔，故水位數(shù)據(jù)相對于實(shí)際情況偏小，圖中BC28為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板名稱，Len表示數(shù)據(jù)的長度，data表示測得的水桶中的水位高度和水溫?cái)?shù)據(jù)，測得均值為171mm，溫度值為23.9-24.0℃，“warning！”表示檢測到異物落水發(fā)出的警報(bào)，數(shù)據(jù)約每5s刷新一次，多次數(shù)據(jù)數(shù)值穩(wěn)定，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性能很好。

實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)工作持續(xù)工作24小時(shí)，共采集數(shù)據(jù)17280個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中有17256次返回正常數(shù)據(jù)，24次返回?cái)?shù)據(jù)異常，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高達(dá)99.86%，對于一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)來說，這個(gè)性能是相當(dāng)可觀的。

圖4 數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)的部分截圖