唐自霖，易藝，付金松，熊依玲，曹旺，王運(yùn)輝

（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西桂林 541004）

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，洗手盆在家庭、酒店、學(xué)校等場(chǎng)所的衛(wèi)生間使用廣泛。我國(guó)是水資源缺乏的國(guó)家，在日常生活中，人們應(yīng)該節(jié)約用水，有效地利用水資源。為了達(dá)到節(jié)約用水的目的，提高對(duì)水資源的利用率，可對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪邢词趾笈欧潘乃|(zhì)進(jìn)行檢測(cè)后再分流，對(duì)水質(zhì)較好的排放水進(jìn)行回收再用（如用于沖馬桶、拖地、澆花等），對(duì)水質(zhì)較差的排放水直接排放到生活污水管道。

現(xiàn)有的洗手盆排水器主要有兩種：1）常規(guī)的洗手盆排水器，只具有排水功能，一些較干凈的洗手水被白白流掉，無(wú)法實(shí)現(xiàn)回收再用；2）帶有機(jī)械控制開(kāi)關(guān)的洗手盆排水器，可以通過(guò)人工操作方式去控制分流開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水的分流和回收再用，但由于沒(méi)有對(duì)洗手盆排放水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水進(jìn)行自動(dòng)控制分流[1-2]。為了解決上述存在的問(wèn)題，有效地對(duì)洗手盆排放水進(jìn)行回收再用，設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合的水質(zhì)檢測(cè)和分流控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以nRF52832 作為微控制器，控制濁度傳感器、pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器進(jìn)行工作，獲取洗手盆排放水的水質(zhì)參數(shù)，然后對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)洗手盆排放水的水質(zhì)情況，對(duì)洗手盆排放水進(jìn)行分流控制，對(duì)水質(zhì)較好的排放水進(jìn)行回收再用。

1 系統(tǒng)的組成與原理

多傳感器融合的水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)主要由傳感器檢測(cè)單元、微控制器、液晶顯示模塊、按鍵模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥和手機(jī)組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

傳感器檢測(cè)單元主要由濁度傳感器模塊、pH 傳感器模塊、TDS(總?cè)芙夤腆w)傳感器模塊、溫度傳感器模塊和液位傳感器模塊組成[3-6]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水的水質(zhì)檢測(cè)與分流控制，采用亞克力板材料制作一個(gè)容器，用來(lái)接收洗手盆排放的水。濁度傳感器安裝在容器的內(nèi)壁，pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器均安裝在容器的內(nèi)部，它們都用來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)洗手盆排放水的水質(zhì)。液位傳感器安裝在容器的外壁，用來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)洗手盆排放水的液位信息。電磁閥A 和電磁閥B 安裝在容器的底部，通過(guò)PVC 水管和水管接頭與容器底部連接，用來(lái)分流洗手盆排放水。

nRF52832 微控制器是水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)的主控中心，負(fù)責(zé)整個(gè)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)的管理、處理和控制等任務(wù)，它主要控制傳感器檢測(cè)單元進(jìn)行工作，獲取容器內(nèi)排放水的水質(zhì)參數(shù)和液位信息，然后對(duì)這些參數(shù)和信息進(jìn)行分析與處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)容器內(nèi)的洗手盆排放水進(jìn)行分流控制。如果排放水的水質(zhì)較好，微控制器通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊控制電磁閥A 工作，將容器內(nèi)的排放水分流給馬桶水箱、水桶或其他容器，用于沖馬桶、拖地、澆花等；如果排放水的水質(zhì)較差，微控制器通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊控制電磁閥B 工作，將容器內(nèi)的排放水分流給下水道，直接排放。用戶可以根據(jù)需要通過(guò)手機(jī)端的應(yīng)用程序輸入任務(wù)指令，一方面獲取容器內(nèi)洗手盆排放水的水質(zhì)參數(shù)和分流控制信息，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)檢測(cè)分流控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括微控制器模塊、傳感器檢測(cè)單元、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 微控制器模塊電路設(shè)計(jì)

微控制器模塊主要由nRF52832 微控制器、復(fù)位電路、晶振電路、液晶顯示模塊和按鍵模塊組成。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 微控制器模塊電路框圖

系統(tǒng)的微控制器選用Nordic 公司生產(chǎn)的基于ARM?Cortex?-M4 內(nèi)核的32 位nRF52832-QFAA 芯片，它的主頻可達(dá)64 MHz，片內(nèi)集成有2.4 GHz 收發(fā)器、I2C 接口、SPI 接口、UART 接口、ADC、512 kB 的Flash 和64 kB RAM 等豐富的片上資源[7]，能夠滿足水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)的需求。

液晶顯示模塊采用0.96 寸的OLED 液晶顯示模塊，通過(guò)I2C 通信協(xié)議與nRF52832 微控制器進(jìn)行通信。

按鍵模塊采用輕觸按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，輕觸按鍵與nRF52832 微控制器的I/O 相連接。

2.2 傳感器檢測(cè)單元的硬件設(shè)計(jì)

傳感器檢測(cè)單元的硬件設(shè)計(jì)主要包括濁度傳感器模塊電路、pH 傳感器模塊電路、TDS 傳感器模塊電路、溫度傳感器模塊電路和液位檢測(cè)傳感器模塊電路。

選用TSW-30 濁度傳感器對(duì)洗手盆排放水的濁度進(jìn)行檢測(cè)。TSW-30 濁度傳感器利用光學(xué)原理，通過(guò)溶液的透光率和散射率來(lái)測(cè)量溶液的濁度。濁度傳感器模塊的電路原理圖如圖3 所示。

圖3 濁度傳感器電路原理圖

TSW-30 傳感器的內(nèi)部安裝有紅外發(fā)射二極管D1 和光敏二極管D2，當(dāng)光線穿過(guò)一定量的水時(shí)，光線的透過(guò)量取決于水的渾濁程度，水越渾濁，透過(guò)的光就越少。用接收端的光敏二極管D2 把透過(guò)的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流大小，透過(guò)的光越多，電流越大。濁度傳感器模塊用來(lái)將TSW-30 濁度傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后送給微控制器的片內(nèi)A/D 進(jìn)行電壓采集，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)洗手盆排放水的濁度檢測(cè)。

選用雷磁E-201-C 型pH 傳感器對(duì)洗手盆排放水的pH進(jìn)行檢測(cè)。該pH傳感器是由玻璃電極和參比電極組合在一起的復(fù)合電極，用于測(cè)量水溶液的pH，pH 測(cè)量范圍為0～14，溫度測(cè)量范圍為5～60 ℃[8]。pH傳感器模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 pH傳感器模塊電路原理圖

在圖4 中，E-201-C 型pH 值傳感器從P1BNC 接口接入pH 傳感器模塊電路。pH 傳感器模塊主要用來(lái)放大pH 傳感器輸出的電壓信號(hào)，然后送給微控制器的片內(nèi)A/D 進(jìn)行電壓采集，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水的pH檢測(cè)。

選用DFROBOT 的SKU SEN0244 型TDS 傳感器模塊和TDS 探頭對(duì)洗手盆排放水的溶解性固體總量進(jìn)行檢測(cè)。該TDS 傳感器模塊的TDS 測(cè)量范圍為0～1 000 ppm，輸出信號(hào)為0～2.3 V 的電壓信號(hào)，方便與微控制器的片內(nèi)A/D 進(jìn)行連接，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水溶解性固體總量的檢測(cè)。

選用溫度傳感器DS18B20 來(lái)測(cè)量洗手盆排放水的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗手盆排放水的水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)進(jìn)行溫度補(bǔ)償[9]。溫度傳感器DS18B20 通過(guò)單總線通信協(xié)議與nRF52832 微控制器進(jìn)行通信。

選用XKC-Y26A-V 型非接觸式液位感應(yīng)器來(lái)測(cè)量洗手盆排放水的液位信息。將液位傳感器安裝在容器的外壁，當(dāng)容器的洗手盆排放水的液面到達(dá)液位傳感器的感應(yīng)區(qū)時(shí)，液位傳感器輸出高電平，否則液位傳感器輸出低電平。液位傳感器的輸出端與nRF52832 微控制器的I/O 口相連接。液位傳感器主要用來(lái)檢測(cè)容器內(nèi)水的液位是否溢出。

2.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的硬件設(shè)計(jì)

電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊電路主要由光耦芯片EL357N、二極管和場(chǎng)效應(yīng)管AOD4184 等器件組成。光耦芯片起隔離作用，nRF52832 微控制器通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與斷開(kāi)來(lái)控制電磁閥進(jìn)行工作，對(duì)容器內(nèi)的洗手盆排放水進(jìn)行分流。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

圖5 為一個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖，MCU_IOA與微控制器的I/O 口相連接，OUT_A 與電磁閥的控制信號(hào)輸入端相連接。

2.4 電源模塊的硬件設(shè)計(jì)

電源模塊電路主要由穩(wěn)壓芯片LM7805 和AMS 1117-3.3 組成[10]。電源模塊電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源模塊電路原理圖

圖6 中，12 V 電池從P1接口輸入，12 V 的直流電壓分別送給電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊電路和LM7805 穩(wěn)壓芯片，經(jīng)過(guò)LM7805 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后得到+5 V電壓，然后分別送給各個(gè)電路模塊和AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，從AMS1117-3.3 穩(wěn)壓芯片輸出的+3.3 V電壓用來(lái)給微控制器模塊電路供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由微控制器程序設(shè)計(jì)和手機(jī)端的微信小程序設(shè)計(jì)組成。

3.1 微控制器程序設(shè)計(jì)

nRF52832 微控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法[11]。在Keil uVision5 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)各個(gè)模塊的程序，主要包括藍(lán)牙通訊程序、ADC 驅(qū)動(dòng)程序和液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序等。其主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 手機(jī)端的微信小程序開(kāi)發(fā)

手機(jī)端的微信小程序通過(guò)GAP（通用訪問(wèn)規(guī)范）和GATT（通用屬性規(guī)范）協(xié)議與nRF52832 微控制器建立藍(lán)牙連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[12-14]。用戶能在手機(jī)端的微信小程序上查看洗手盆排放水的水質(zhì)參數(shù)與分流控制信息等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，微信小程序的數(shù)據(jù)接收界面和應(yīng)用界面如圖8 所示。

圖8 微信小程序界面圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)，選用亞克力板材料來(lái)制作容器，將濁度傳感器安裝在容器的內(nèi)壁，pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器均安裝在容器的內(nèi)部，選用洗手后的自來(lái)水或自來(lái)水與洗手液的混合溶液來(lái)模擬洗手盆排放水。使用小米TDS 水質(zhì)檢測(cè)筆和A52 家貝測(cè)水筆作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，使用濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，對(duì)研制的水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試[15-16]，得到水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)的部分參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1-4 所示。

表1 自來(lái)水與洗手液混合溶液測(cè)量結(jié)果

從表1 的測(cè)量結(jié)果可知，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水與洗手液混合溶液進(jìn)行檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為2.93%；從表2 的測(cè)量結(jié)果可知，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水與泥土混合溶液進(jìn)行檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為5.17%；從表3 的測(cè)量結(jié)果可知，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)對(duì)人們用自來(lái)水洗手得到的溶液進(jìn)行檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為4.76%；從表4 的測(cè)量結(jié)果可知，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)與濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，所得濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液檢測(cè)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為7.50%；因此，水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

表2 自來(lái)水與泥土混合溶液測(cè)量結(jié)果

表3 自來(lái)水溶液測(cè)量結(jié)果

表4 濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量結(jié)果

水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)能夠根據(jù)洗手盆排放水的水質(zhì)情況控制電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)分流控制，對(duì)水質(zhì)較好的洗手盆排放水進(jìn)行回收再利用，對(duì)水質(zhì)較差的洗手盆排放水直接排放到生活污水管道，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文以nRF52832 微控制器作為控制和處理核心，結(jié)合傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合的水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)。文中介紹了水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)的組成原理，硬件電路和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方法，并對(duì)水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水質(zhì)檢測(cè)與分流控制系統(tǒng)能夠較好地對(duì)洗手盆排放水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)分流控制，對(duì)水質(zhì)較好的洗手盆排放水進(jìn)行回收再利用，對(duì)水質(zhì)較差的洗手盆排放水分流到生活污水管道，達(dá)到節(jié)約用水的目的，為洗手盆排放水的水質(zhì)檢測(cè)與分流控制提供了一種參考。