基于物聯(lián)網(wǎng)的智能雨水收集再利用系統(tǒng)

朱 娜，陳 偉，郭容慧，王志鵬，楊 涵，王素芹

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，連云港 222005）

0 引言

地球是個(gè)藍(lán)色星球，水資源豐富，但是適用于人類生存的但水資源卻很缺乏，就像中國(guó)是個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，而雨水資源很豐富，所以充分利用雨水資源有助于緩解我們?nèi)彼那闆r，與水資源的重復(fù)利用在我國(guó)的中西部地區(qū)早有先例，但是存在操作繁瑣利用率不高的問題。

現(xiàn)如今的社會(huì)是智能化的社會(huì)，所以本文從雨水收集重復(fù)利用和智能化出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能雨水收集再利用系統(tǒng)，目的在于提高雨水利用效率，緩解水資源緊張的問題。

1 系統(tǒng)方案選擇

1.1 設(shè)計(jì)構(gòu)想

利用STC15F2K60S2作為本系統(tǒng)的硬件核心控制芯片，通過環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過無線網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過自帶的算法數(shù)據(jù)處理包將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成環(huán)境變化走勢(shì)圖存儲(chǔ)在服務(wù)器內(nèi)，且在下雨時(shí)，系統(tǒng)可以通過屋頂?shù)膶?dǎo)流管收集雨水，并將收集來的雨水經(jīng)過多次過濾后存儲(chǔ)在地下的水池內(nèi)，當(dāng)用戶花園的土壤濕度低于植物生長(zhǎng)的最低值時(shí)，單片機(jī)控制水泵工作給花園灌溉，直至土壤濕度符合植物生長(zhǎng)需求。且用戶可以通過手機(jī)的APP、Web和微信小程序訪問服務(wù)器，查看系統(tǒng)的工作狀況和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.2 硬件選擇

選用STC15F2K60S2單片機(jī)作為核心控制芯片，采用MQ-2氣敏煙霧傳感器、XZ2-BZY-60遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌Y-39四合一氣象站模塊和土壤濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制水泵對(duì)花園進(jìn)行灌溉，利用ESP8266模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)傳送到云端服務(wù)器，方面用戶進(jìn)行隨時(shí)查看了解系統(tǒng)信息。

STC15F2K60S2單片機(jī)通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度，并且將濃度傳送到云端服務(wù)器，形成可燃?xì)怏w濃度趨勢(shì)走向圖，通過XZ2-BZY-60遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髋袛喹h(huán)境中是否有明火，降低火災(zāi)發(fā)生概率。單片機(jī)通過GY-39四合一氣象站模塊實(shí)時(shí)采集環(huán)境的溫濕度、光強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。通過土壤濕度傳感器采集植物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤濕度數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行監(jiān)控。

反復(fù)獲取上述數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，單片機(jī)內(nèi)置算法可依據(jù)這這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)目前的狀態(tài)進(jìn)行判斷和操作，并且和系統(tǒng)程序設(shè)定的危險(xiǎn)值進(jìn)行比對(duì)，如果超過設(shè)定值，及時(shí)報(bào)警。

2 智能雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)智能雨水收集再利用系統(tǒng)由核心控制芯片STC15F2K60S2和環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、自動(dòng)灌溉模塊、通知顯示模塊和云服務(wù)器組成。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

2.2 系統(tǒng)的程序流程設(shè)計(jì)

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)可以全天候工作，在初次使用系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行初始化操作化后，就會(huì)一直處于正常采集數(shù)據(jù)和判斷是否需要灌溉的工作狀態(tài)，并且不斷將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和可操作化。

3 系統(tǒng)功能

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能

通過GY-39四合一氣象站模塊實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)環(huán)境的大氣壓、溫度、濕度和光強(qiáng)數(shù)據(jù)，該模塊由MAX44009、BME280和MCU高度集合在一塊PCB板上。MAX44009內(nèi)置光電二極管和ADC，光照強(qiáng)度的變化引起電流的變化，得以實(shí)時(shí)采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)。BME280則是一款集溫濕度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集為一體的芯片，MAX44009和BME280所采集的數(shù)據(jù)由該模塊內(nèi)置的MCU存儲(chǔ)收集，然后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給STC15F2K60S2單片機(jī)，并在系統(tǒng)的顯示屏幕上顯示出來。通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度加上XZ2-BZY-60遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髋袛喹h(huán)境中是否有明火，如果有及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。

圖2 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)圖

且可以將上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器形成環(huán)境數(shù)據(jù)變化圖，用戶可以通過APP端、Web端和微信小程序訪問查看。

3.2 自動(dòng)灌溉功能

主控芯片通過埋在花園土壤里的土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，再根據(jù)用戶設(shè)定的植物生長(zhǎng)所需最低的濕度數(shù)據(jù)，兩者進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)采集來的數(shù)據(jù)低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)給繼電器發(fā)送指令，繼電器處于高電平，水泵通電開始工作，給植物噴灑水，直到土壤濕度超過設(shè)定值，單片機(jī)給繼電器發(fā)送指令，高電平轉(zhuǎn)為低電平，水泵斷電停止工作。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警時(shí)，單片機(jī)能利用水泵泵出水池中的水進(jìn)行噴水滅火操作。

3.3 通知顯示功能

GY-39四合一氣象站模塊所采集的光強(qiáng)、壓強(qiáng)、溫度和濕度數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)的液晶顯示屏上，便于用戶及時(shí)查看。而且當(dāng)用戶不在家中時(shí)，用戶也可以直接通過手機(jī)查看上述數(shù)據(jù)和水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到可燃?xì)怏w濃度高于危險(xiǎn)值且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到明火時(shí)，會(huì)及時(shí)通過報(bào)警信息告知用戶。

4 改進(jìn)與提升

本文設(shè)計(jì)的智能雨水收集再利用系統(tǒng)雖然達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)目的，但是還存在以下的問題。一是本系統(tǒng)所收集的雨水因?yàn)橹皇墙?jīng)過了初步過濾，所以只適用于灌溉，還不能用于生活用水，所以我們下一步的改進(jìn)方向之一就是提高雨水凈化程度。二是儲(chǔ)水池為了不影響景觀，所以本系統(tǒng)選擇將水池放置在地下，這就造成用戶初期通入的水池成本較大，不利于推廣。