梁昕, 張晨

(南京機電職業(yè)技術(shù)學院 電子工程系, 江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越多智能家居設(shè)備進入到千家萬戶。智能家居系統(tǒng)利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能云臺控制技術(shù)等將家居安全、安防系統(tǒng)、燈光窗簾、信息家電等有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)“以人為本”的全新家庭生活的體驗[1]。在家庭安全防范中，水災(zāi)不容忽視，家居漏水的情況時有發(fā)生，如水管破損爆裂、停水后忘關(guān)水龍頭等。不僅使家庭財產(chǎn)遭受損失，還浪費了大量水資源，因而智能防漏水系統(tǒng)是家居安全中最基本和不可或缺的部分[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種智能防漏水系統(tǒng)，可以監(jiān)測統(tǒng)計家庭用水情況。系統(tǒng)開機后，可控制水閥開關(guān)。閥門打開狀態(tài)時，當水流量大于設(shè)定最低閥值，即判斷開始單次用水，計流量和使用時間。本系統(tǒng)報警的流量控制與用水時長均為單次用水時間，即水閥關(guān)閉后，單次統(tǒng)計就清零。單次用水每分鐘的流量值和單次用水時間可根據(jù)家庭用水情況進行設(shè)置，如家中人數(shù)有變動也不影響報警水流量，或長時間少量漏水時，單次用水時間就達到單次用水報警時間的閾值，同樣觸發(fā)報警信號。長時間出門可將單次用水量和用水時間調(diào)小，當出現(xiàn)超水量、超時間時，認為出現(xiàn)異常漏水情況，系統(tǒng)立即關(guān)閉閥門，斷水，界面顯示對應(yīng)報警圖標，蜂鳴器報警，并通過微信小程序發(fā)送消息給房主。此系統(tǒng)可有效地控制漏水給家庭帶來的損失。

智能防漏水系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

MCU主控模塊、傳感器檢測模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊、驅(qū)動開關(guān)電機及電源模塊。通過霍爾流量傳感器檢測水流量，將檢測到的脈沖信號傳輸給MCU主控模塊[3]，主控模塊根據(jù)設(shè)定的單次用水量和用水時間判斷是否漏水。如當前用水量及用水時間小于設(shè)定值，認為正常用水狀態(tài)，LCD觸摸屏上顯示用水量和用水時間。如果超過正常用水，為漏水狀態(tài)，則MCU主控板驅(qū)動電機，關(guān)閉水閥閥門，同時蜂鳴器報警，無線發(fā)送報警模塊通過WiFi給房主微信小程序發(fā)送消息，提示家中漏水，水閥已關(guān)閉。單位時間用水量和用水時間可在LCD觸摸屏上面設(shè)置。

2 智能防漏水分模塊設(shè)計

2.1 MCU主控模塊

MCU主控模塊是整個系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體ST公司出品的STM32F103ZET6微控制器作為主控芯片，STM32是32位的ARM微控制器，STM32F103ZET6是屬于增強型系列，具有低功耗、低電壓操作特點，在同類產(chǎn)品中性能最高，頻率時鐘達到72MHz，有144個引腳，程序存儲容量是512KB，有WIRELESS 模塊接口，支持無線通信[4]。系統(tǒng)通過它來接收傳感器檢測到的水流量信號，判斷發(fā)送報警信號，通過WiFi發(fā)送無線數(shù)據(jù)，與觸摸顯示屏實現(xiàn)人機交互，控制電機操作水閥開關(guān)等，構(gòu)成完整的智能防漏水系統(tǒng)。STM32微控制與其他模塊的接口電路,如圖2所示。

圖2 MCU主控模塊

2.2 傳感器檢測模塊

系統(tǒng)的水流量檢測模塊由銅閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾流量傳感器組成。其裝在家庭用水的進水端，用于檢測用水流量和用水時間。當水流通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子隨著水流量的大小以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，切割磁場，霍爾傳感器感應(yīng)輸出脈沖信號，發(fā)送給控制MCU，控制器實現(xiàn)水流量和時長的計量，根據(jù)計量結(jié)果判斷為正常用水還是漏水?；魻柫髁總鞲衅鞣磻?yīng)靈敏，計量準確，使用壽命長，工作可靠，性價比高，適用于家庭智能家居的使用?；魻杺鞲衅鳈z測模塊,如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器檢測電路

2.3 LCD觸摸屏模塊

LCD觸摸屏是人機交互的界面，用于顯示與設(shè)定用水信息及其他功能，本系統(tǒng)選用顯尚光電的DST2001PH2.8英寸的TFTLCD。LCD界面顯示實時用水量(單位為L/min)和當前用水時間。設(shè)定漏水閾值的用水量，水流量可設(shè)定范圍2-45 L/min，最小流量為2 L/min，低于此流量傳感器無輸出。單次用水時間可設(shè)定為1-500 min。LCD觸摸屏上有報警狀態(tài)欄，顯示超水量、超時時長、漏水報警，及消除報警按鈕?？梢赃x擇觸摸屏的閥門開關(guān)鍵，手動控制水閥的開關(guān)。

2.4 無線發(fā)射報警模塊

當MCU主控模塊接收到傳感器的信號后，對信號進行處理與判斷，把結(jié)果經(jīng)無線發(fā)射報警模塊發(fā)送出去，其中RF無線發(fā)射器采用NRF2401芯片實現(xiàn)。NRF2401單片射頻收發(fā)，工作于2.4-2.5 GHz ISM頻段，適用于WiFi等多種無線通信場合，支持低功耗工作模式，節(jié)能，設(shè)計方便[5]。無線模塊電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 無線模塊電路

出現(xiàn)漏水狀況時，無線發(fā)射報警模塊通過WiFi發(fā)送漏水信息到用戶的手機微信小程序，并把當前用水量，用水時長以及閥門已關(guān)閉的信息告知用戶。

2.5 驅(qū)動減速電機模塊

智能漏水保護系統(tǒng)對水閥的控制最終是由減速電機馬達開關(guān)閥門實現(xiàn)的。系統(tǒng)選用90度限位，支持正反轉(zhuǎn)的減速電機。驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 電機模塊電路

安裝漏水保護系統(tǒng)后，可通過按鍵驅(qū)動電機打開閥門，便能正常用水。當出現(xiàn)漏水，或需要關(guān)閉閥門時，電機反轉(zhuǎn)，關(guān)閉水閥。

電動閥門減速電機控制精度高、穩(wěn)定性好、性價比高，有利于系統(tǒng)長期有效的運行。

3 總結(jié)

本文設(shè)計的智能防漏水系統(tǒng)，內(nèi)置5 V鋰電池，在斷電的情況下，依舊能保證系統(tǒng)正常工作，可實時監(jiān)測家庭用水情況。如設(shè)置單次用水報警流量為10 L，單次用水報警時長設(shè)置為5分鐘，時長當單次用水量超過10 L或者單次用水時長超過5分鐘時，認為是持續(xù)漏水事件，則系統(tǒng)立即關(guān)閉水閥，并上報消息到個人手機微信。智能防漏水系統(tǒng)可保護家庭用水安全，及時止損。本系統(tǒng)擁有無線通信模塊，能將用水信息通過WiFi發(fā)送到手機端的微信小程序，使用方便，順應(yīng)時代的發(fā)展潮流，進一步滿足人們對智能家居系統(tǒng)的要求。