杜 娟

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000)

0 引言

我國是人口大國,水資源匱乏,水污染嚴(yán)重,節(jié)約水資源勢在必行,居民生活用水的節(jié)水需求更是迫在眉睫。居民生活用水主要包括家庭用水和公共場所用水[1]。公共場所主要包括商場和學(xué)校這類場所。本文以學(xué)校這類場所為主,討論學(xué)校的衛(wèi)生間用水情況,并針對現(xiàn)有情況,提出改進的智能節(jié)水控制系統(tǒng)方案。

學(xué)校現(xiàn)有的衛(wèi)生間主要有坑位式衛(wèi)生間和長槽式衛(wèi)生間,坑位式衛(wèi)生間多采用紅外感應(yīng)進行沖水控制,長槽式衛(wèi)生間主要采用定時沖水。以上2種沖水控制方式均為獨立式控制,控制系統(tǒng)簡單,功能單一。若某個坑位的檢測器或長槽的控制器出現(xiàn)故障,則可能出現(xiàn)不能沖水或沖水不停的情況,從而引發(fā)衛(wèi)生間衛(wèi)生環(huán)境差或水資源浪費嚴(yán)重等問題。

本文從功能、節(jié)能多方面考慮,研究了一種以單片機為控制核心,以傳感器、電磁閥、水流量計、定時器、鍵盤、TFT1.8寸屏等器件構(gòu)成外圍電路的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在不同時間段自動開啟不同的沖水模式,提高了節(jié)水效率。同時,該控制系統(tǒng)融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控界面開發(fā)和整個控制系統(tǒng)信號的匯集、傳輸,為相關(guān)人員做好系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障處理提供了便利。該系統(tǒng)具有節(jié)水效率高、智能化程度高、可聯(lián)網(wǎng)運行、操作方便、控制方式多樣等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于STM32F103RCT6單片機的智能節(jié)水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能節(jié)水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該智能節(jié)水控制系統(tǒng)不再采用簡單的數(shù)字芯片、模擬芯片進行系統(tǒng)控制,而是將STM32F103RCT6單片機作為核心控制芯片。智能節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計包括相關(guān)硬件電路、軟件程序、云平臺的設(shè)計。

系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、電磁閥模塊、人體檢測模塊等。系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計主要包括單片機內(nèi)部程序的設(shè)計、云平臺監(jiān)控界面的設(shè)計。

該控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)主要有STM32F103RCT6單片機、時鐘電路、復(fù)位電路[2]。時鐘電路用來產(chǎn)生單片機工作時所必需的時鐘信號,單片機在時鐘信號的控制下,嚴(yán)格按照時序執(zhí)行指令,使單片機能夠準(zhǔn)確有序地進行工作。復(fù)位電路可以讓單片機完成系統(tǒng)的初始化,同時也可以在程序跑飛或者系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤運行時,使單片機復(fù)位,重新運行程序。電源模塊主要給控制系統(tǒng)提供不同電壓的轉(zhuǎn)換;無線模塊主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)和云平臺相關(guān)數(shù)據(jù)的上傳下達[3];時鐘模塊主要給整個控制系統(tǒng)提供精確的時間信號,可以使單片機在一年內(nèi)不同的時間段里,完成不同的工作;按鍵模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)4種工作模式的切換;顯示模塊主要顯示控制系統(tǒng)的所有狀態(tài)信息;水流量檢測模塊主要完成各條支路的用水量檢測;繼電器模塊主要根據(jù)控制信號接通或斷開相關(guān)的電磁閥;電磁閥模塊主要控制沖水水道的通斷;人體檢測模塊用來檢測是否有人使用衛(wèi)生間和是否向控制器發(fā)送信號啟動電磁閥沖水。

在該控制系統(tǒng)的電路中,單片機STM32F103RCT6是整個控制系統(tǒng)核心,主要通過運行載入的程序,進行整個系統(tǒng)信號的監(jiān)測、處理和傳輸,對系統(tǒng)的控制情況起著決定性作用。通過對整個控制系統(tǒng)的控制,完成對衛(wèi)生間坑位是否有人的數(shù)據(jù)采集、是否啟動電磁閥沖水操作、是否將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺上、將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上等操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路主要有單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、電磁閥模塊、人體檢測模塊等。

2.1 主要器件選擇

2.1.1 單片機選擇

考慮到整個系統(tǒng)設(shè)計所需要的端口、內(nèi)部定時器、中斷系統(tǒng)以及相關(guān)串行口等單片機內(nèi)部資源,本系統(tǒng)選用STM32F103RCT6進行整個系統(tǒng)的信號采集、處理、傳輸。

2.1.2 時鐘模塊選擇

時鐘模塊類型較多,主要有Wi-Fi智能授時時鐘模塊、DS1302/3231/1307實時時鐘模塊等。Wi-Fi智能授時時鐘模塊每天可以自動通過網(wǎng)絡(luò)對時,價格昂貴,DS1302/3231/1307等實時時鐘模塊是自帶電池的高精度計時模塊,價格便宜。本系統(tǒng)選用DS1302實時時鐘模塊。

2.1.3 Wi-Fi模塊選擇

Wi-Fi模塊類型較多,但適合做小系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的是ESP8266 Wi-Fi模塊。該模塊體積小、引腳少,可以兼容3.3 V和5 V單片機系統(tǒng),內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,采用串口與單片機(或其他串口設(shè)備)通信,能夠?qū)崿F(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉(zhuǎn)換[4],支持串口轉(zhuǎn)Wi-Fi STA、串口轉(zhuǎn)AP的模式,從而快速構(gòu)建串口—Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸方案,同時可以免費接入各種云服務(wù)器。本系統(tǒng)選用ESP8266 Wi-Fi模塊實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 硬件電路接口設(shè)計

2.2.1 單片機控制系統(tǒng)接口設(shè)計

該控制系統(tǒng)中單片機與其他模塊的接口如圖2所示,主要包括單片機與電源模塊、無線模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、顯示模塊、水流量檢測模塊、繼電器模塊、人體檢測模塊接口的設(shè)計。

圖2 單片機控制系統(tǒng)接口

2.2.2 電源模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)是一套節(jié)水裝置模擬系統(tǒng),由3節(jié)3.7 V的鋰電池提供12 V的直流電源,再由降壓芯片降為5 V,分別向各部分電路提供電源。電源模塊接口如圖3所示。

圖3 電源模塊接口

2.2.3 無線模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)具有聯(lián)網(wǎng)功能,采用ESP8826 Wi-Fi模塊實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)中水流量數(shù)據(jù)、電磁閥工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)均可上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺的監(jiān)控界面上,同時也可以通過操作OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)控界面的開關(guān)控制電磁閥的工作狀態(tài)。ESP8826 Wi-Fi模塊與單片機的接口如圖4所示。

圖4 ESP8826 Wi-Fi模塊與單片機的接口

2.2.4 時鐘模塊接口設(shè)計

該控制系統(tǒng)使用的時鐘模塊是DS1302實時時鐘模塊。DS1302實時時鐘模塊是一款自帶電池的高精度計時模塊,與單片機的接口如圖5所示。DS1302與單片機之間可以采用同步串行方式進行數(shù)據(jù)的通信[5]。DS1302實時芯片與單片機接口如圖5所示。

圖5 DS1302實時芯片與單片機接線

2.2.5 按鍵模塊接口設(shè)計

該控制系統(tǒng)使用的按鍵有6個,按鍵與單片機的接線如圖6所示。按鍵模塊主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的自動沖水控制模式、手動沖水控制模式、遠程控制模式、故障模擬模式的切換,可以完成各種模式下的具體控制。

圖6 按鍵與單片機接線

2.2.6 顯示模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)顯示的參數(shù)較多,故采用TFT1.8寸顯示屏。在該顯示屏上具體顯示水流量傳感器檢測的瞬間水流量值和累計水流量值、Wi-Fi的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、系統(tǒng)的工作模式、具體的時間、各個衛(wèi)生間有無人情況等信息。顯示屏與單片機的接口如圖7所示。

圖7 顯示屏與單片機接線

2.2.7 水流量檢測模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)完成了一棟樓中的4個坑位相應(yīng)的水路和1條總水路的水流量檢測,采用YF-S201水流量傳感器。系統(tǒng)共有5個水流量傳感器,分別檢測總水路上的水流量信息和4條支路上的水流量信息。水流量傳感器與單片機的接口如圖8所示。

圖8 水流量傳感器與單片機接線

2.2.8 繼電器模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)中5條水路的控制分別由5個繼電器控制5個電磁閥的通斷實現(xiàn)。單片機接收到人員使用完衛(wèi)生間的信息或監(jiān)控界面開關(guān)控制信息后,開啟相應(yīng)的繼電器,控制相應(yīng)的電磁閥通斷,進而控制衛(wèi)生間相應(yīng)坑位是否沖水。水流量傳感器與單片機接口如圖9所示。

圖9 水流量傳感器與單片機接線

2.2.9 人體檢測模塊接口設(shè)計

本控制系統(tǒng)具有人體檢測功能。該功能采用距離可調(diào)的對管反射型光電開關(guān),可準(zhǔn)確檢測人員是否離開坑位,確定是否沖水。人體檢測模塊與單片機接口如圖10所示。

圖10 人體檢測模塊與單片機接線

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本文設(shè)計的智能節(jié)水控制系統(tǒng)中,硬件電路的設(shè)計大大提高了衛(wèi)生間沖水的效率,節(jié)約了水資源,而軟件程序的設(shè)計也是非常重要的。該系統(tǒng)程序設(shè)計主要涉及了主程序、串行通信子程序、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)子程序、MQTT物聯(lián)網(wǎng)子程序、中斷服務(wù)子程序、看門狗子程序、定時器子程序、數(shù)據(jù)上傳子程序、按鍵掃描子程序、數(shù)據(jù)下發(fā)子程序、水流量檢測子程序、人體檢測子程序、LCD顯示子程序、報警子程序、DS1302定時器子程序。從整體上來看,該系統(tǒng)主要按照系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)—模式切換—功能實現(xiàn)的步驟完成任務(wù),實現(xiàn)節(jié)水系統(tǒng)的智能控制。

3.1 主程序設(shè)計

主程序主要實現(xiàn)了各電路模塊的初始化、鍵值的讀取、控制功能的切換、數(shù)據(jù)的顯示、電磁閥狀態(tài)檢測、人體檢測、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接檢測和執(zhí)行。主程序流程如圖11所示。

圖11 主程序流程

程序初始化主要完成單片機的初始化、串行通信初始化、Wi-Fi模塊的初始化、連接云IoT平臺MQTT服務(wù)器的參數(shù)初始化、繼電器初始化、顯示模塊初始化、定時器和外中斷初始化、DS1302時鐘模塊初始化等工作。

3.2 子程序設(shè)計

串口通信子程序、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)子程序、MQTT物聯(lián)網(wǎng)子程序的相互配合,使數(shù)據(jù)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上傳到OneNET平臺、操作從OneNET平臺的監(jiān)控界面上通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下達到控制系統(tǒng)。

在中斷服務(wù)子程序中設(shè)計了串口2接收中斷函數(shù)、DMA1通道7中斷服務(wù)函數(shù)等中斷服務(wù)函數(shù),可實時滿足智能控制系統(tǒng)的各種需求。

定時器子程序主要設(shè)置了2 s、3 s、30 s的不同定時,可滿足控制系統(tǒng)在不同工作下對定時器的需求。

看門狗子程序主要進行了喂狗的設(shè)置,保證控制系統(tǒng)出現(xiàn)意外的時候能自動復(fù)位,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

數(shù)據(jù)上傳子程序、數(shù)據(jù)下發(fā)子程序主要進行了系統(tǒng)的水流量、電磁閥工作狀態(tài)的上傳、電磁閥工作狀態(tài)的操作。

按鍵掃描子程序主要進行了控制系統(tǒng)功能的切換和電磁閥的通斷控制。

LCD顯示子程序主要進行了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況、實時水流量數(shù)據(jù)、累計水流量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)工作狀態(tài)、有無人員用水、故障系統(tǒng)的顯示。

水流量檢測子程序主要通過水流量傳感器實現(xiàn)了實時水流量和累計水流量的檢測。

人體檢測子程序通過中斷機制的應(yīng)用,實時檢測了人員使用衛(wèi)生間的情況,根據(jù)需要啟動沖水裝置。

報警子程序主要設(shè)置了電磁閥超時沖水的報警,通過該設(shè)置可以實時監(jiān)測電磁閥的工作狀態(tài)是否正常。

在DS1302定時器子程序中,通過設(shè)置不同的時間段,實現(xiàn)不同時間段的不同沖水效果。使用密集時間段內(nèi)感應(yīng)短時快沖,密集時間段結(jié)束時長時沖洗,非密集時間段內(nèi)感應(yīng)正常沖水。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本文設(shè)計的智能節(jié)水控制系統(tǒng)已完成實物模型的設(shè)計,調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試主要是系統(tǒng)通電運行程序后,根據(jù)具體的現(xiàn)象,不斷調(diào)整硬件電路的設(shè)計;軟件調(diào)試主要是在編程的過程中,合理地調(diào)配、使用單片機內(nèi)部資源,根據(jù)單片機運行程序后顯示的現(xiàn)象,不斷地調(diào)整參數(shù)的設(shè)置、程序的設(shè)計。最終將設(shè)計合理的程序下載到實物模型中,實現(xiàn)目標(biāo)功能。

經(jīng)測試,該智能節(jié)水控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確地檢測到人員使用衛(wèi)生間的情況、正確地開啟關(guān)斷電磁閥實現(xiàn)衛(wèi)生間沖水控制、在設(shè)定的不同時間段內(nèi)啟動不同的沖水控制策略、在TFT顯示屏上正確顯示系統(tǒng)的各種參數(shù)、正確地切換系統(tǒng)的各種工作模式、實現(xiàn)控制系統(tǒng)和OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸和信號控制。智能節(jié)水控制系統(tǒng)的控制功能符合要求,實物模型如圖12所示。

圖12 智能節(jié)水控制系統(tǒng)的實物模型

5 結(jié)語

基于STM32F103RCT6單片機的智能節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計,對于改變傳統(tǒng)的獨立式感應(yīng)沖水控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)集成度更高、智能化更強、精準(zhǔn)度更高、節(jié)水效果更好,具有一定的實用價值。