梁昕, 張晨
(南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系, 江蘇 南京 210016)
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(jìn)入到千家萬戶。智能家居系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能云臺(tái)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(jī)地結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家庭生活的體驗(yàn)[1]。在家庭安全防范中,水災(zāi)不容忽視,家居漏水的情況時(shí)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(cái)產(chǎn)遭受損失,還浪費(fèi)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]。
本文設(shè)計(jì)了一種智能防漏水系統(tǒng),可以監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)家庭用水情況。系統(tǒng)開機(jī)后,可控制水閥開關(guān)。閥門打開狀態(tài)時(shí),當(dāng)水流量大于設(shè)定最低閥值,即判斷開始單次用水,計(jì)流量和使用時(shí)間。本系統(tǒng)報(bào)警的流量控制與用水時(shí)長(zhǎng)均為單次用水時(shí)間,即水閥關(guān)閉后,單次統(tǒng)計(jì)就清零。單次用水每分鐘的流量值和單次用水時(shí)間可根據(jù)家庭用水情況進(jìn)行設(shè)置,如家中人數(shù)有變動(dòng)也不影響報(bào)警水流量,或長(zhǎng)時(shí)間少量漏水時(shí),單次用水時(shí)間就達(dá)到單次用水報(bào)警時(shí)間的閾值,同樣觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。長(zhǎng)時(shí)間出門可將單次用水量和用水時(shí)間調(diào)小,當(dāng)出現(xiàn)超水量、超時(shí)間時(shí),認(rèn)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(duì)應(yīng)報(bào)警圖標(biāo),蜂鳴器報(bào)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(cè)模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊、驅(qū)動(dòng)開關(guān)電機(jī)及電源模塊。通過霍爾流量傳感器檢測(cè)水流量,將檢測(cè)到的脈沖信號(hào)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(shí)間判斷是否漏水。如當(dāng)前用水量及用水時(shí)間小于設(shè)定值,認(rèn)為正常用水狀態(tài),LCD觸摸屏上顯示用水量和用水時(shí)間。如果超過正常用水,為漏水狀態(tài),則MCU主控板驅(qū)動(dòng)電機(jī),關(guān)閉水閥閥門,同時(shí)蜂鳴器報(bào)警,無線發(fā)送報(bào)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(shí)間用水量和用水時(shí)間可在LCD觸摸屏上面設(shè)置。
MCU主控模塊是整個(gè)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(qiáng)型系列,具有低功耗、低電壓操作特點(diǎn),在同類產(chǎn)品中性能最高,頻率時(shí)鐘達(dá)到72MHz,有144個(gè)引腳,程序存儲(chǔ)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(cè)到的水流量信號(hào),判斷發(fā)送報(bào)警信號(hào),通過WiFi發(fā)送無線數(shù)據(jù),與觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,控制電機(jī)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
系統(tǒng)的水流量檢測(cè)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(jìn)水端,用于檢測(cè)用水流量和用水時(shí)間。當(dāng)水流通過水流轉(zhuǎn)子組件時(shí),磁性轉(zhuǎn)子隨著水流量的大小以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),切割磁場(chǎng),霍爾傳感器感應(yīng)輸出脈沖信號(hào),發(fā)送給控制MCU,控制器實(shí)現(xiàn)水流量和時(shí)長(zhǎng)的計(jì)量,根據(jù)計(jì)量結(jié)果判斷為正常用水還是漏水。霍爾流量傳感器反應(yīng)靈敏,計(jì)量準(zhǔn)確,使用壽命長(zhǎng),工作可靠,性價(jià)比高,適用于家庭智能家居的使用?;魻杺鞲衅鳈z測(cè)模塊,如圖3所示。
圖3 霍爾傳感器檢測(cè)電路
LCD觸摸屏是人機(jī)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(shí)時(shí)用水量(單位為L(zhǎng)/min)和當(dāng)前用水時(shí)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(shí)間可設(shè)定為1-500 min。LCD觸摸屏上有報(bào)警狀態(tài)欄,顯示超水量、超時(shí)時(shí)長(zhǎng)、漏水報(bào)警,及消除報(bào)警按鈕。可以選擇觸摸屏的閥門開關(guān)鍵,手動(dòng)控制水閥的開關(guān)。
當(dāng)MCU主控模塊接收到傳感器的信號(hào)后,對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與判斷,把結(jié)果經(jīng)無線發(fā)射報(bào)警模塊發(fā)送出去,其中RF無線發(fā)射器采用NRF2401芯片實(shí)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(chǎng)合,支持低功耗工作模式,節(jié)能,設(shè)計(jì)方便[5]。無線模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 無線模塊電路
出現(xiàn)漏水狀況時(shí),無線發(fā)射報(bào)警模塊通過WiFi發(fā)送漏水信息到用戶的手機(jī)微信小程序,并把當(dāng)前用水量,用水時(shí)長(zhǎng)以及閥門已關(guān)閉的信息告知用戶。
智能漏水保護(hù)系統(tǒng)對(duì)水閥的控制最終是由減速電機(jī)馬達(dá)開關(guān)閥門實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)選用90度限位,支持正反轉(zhuǎn)的減速電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
圖5 電機(jī)模塊電路
安裝漏水保護(hù)系統(tǒng)后,可通過按鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開閥門,便能正常用水。當(dāng)出現(xiàn)漏水,或需要關(guān)閉閥門時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn),關(guān)閉水閥。
電動(dòng)閥門減速電機(jī)控制精度高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高,有利于系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的運(yùn)行。
本文設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭用水情況。如設(shè)置單次用水報(bào)警流量為10 L,單次用水報(bào)警時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為5分鐘,時(shí)長(zhǎng)當(dāng)單次用水量超過10 L或者單次用水時(shí)長(zhǎng)超過5分鐘時(shí),認(rèn)為是持續(xù)漏水事件,則系統(tǒng)立即關(guān)閉水閥,并上報(bào)消息到個(gè)人手機(jī)微信。智能防漏水系統(tǒng)可保護(hù)家庭用水安全,及時(shí)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(jī)端的微信小程序,使用方便,順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流,進(jìn)一步滿足人們對(duì)智能家居系統(tǒng)的要求。