自動(dòng)感知水龍頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳儀　朱泳瑛　談潘攀

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)感應(yīng)水龍頭系統(tǒng)，利用紅外漫反射原理和超聲波測(cè)距原理，由紅外發(fā)射與接收電路、超聲波傳感器、控制電路、電磁閥、電源等組成。當(dāng)人或物體靠近水龍頭時(shí)，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體反射到紅外接收光電管，接收光電管接收到的反射光信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制電磁閥動(dòng)作打開水源[1]；反之自動(dòng)關(guān)閉水源。通過聲波的傳播距離來衡量水器是否盛滿，如果盛滿則關(guān)閉水源，相比傳統(tǒng)手動(dòng)水龍頭，能夠減少因?yàn)樯罟?jié)奏的加快而造成的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。為生活提供便利，也滿足人們對(duì)高品質(zhì)和智能化生活的向往。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單實(shí)用，主要針對(duì)有老人和小孩的家庭，也可適用于商場(chǎng)、學(xué)校、辦公大樓等人員密集流動(dòng)場(chǎng)所。系統(tǒng)的主要功能包括：遠(yuǎn)程控制水龍頭、定時(shí)關(guān)閉、自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)蓄水，自動(dòng)提醒、反饋信息等功能。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)感應(yīng)水龍頭；物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市；節(jié)約用水；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP302.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）01-0118-03

1 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，水龍頭已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?。在公共?chǎng)所，由于人員流動(dòng)性比較大，公共設(shè)施的衛(wèi)生情況普遍比較惡劣，傳統(tǒng)水龍頭必須通過人手操作，很容易造成病菌的大規(guī)模傳播[2]。

日常生活中人們也會(huì)時(shí)常會(huì)忘記關(guān)家里的水電，尤其是水龍頭。又或是匆匆忙忙地離開家水龍頭的旋鈕沒有擰緊，造成水資源的浪費(fèi)。現(xiàn)在大多數(shù)的家庭不僅僅有忙碌的年輕人，還有健忘的老人和調(diào)皮的孩子，老人會(huì)因?yàn)槌鲩T忘記關(guān)上水龍頭，小孩會(huì)因?yàn)楹闷婊蛘吆猛鎸⑺恢狈胖?，甚至被其他的事情吸引不管是否關(guān)好了水龍頭就去玩耍，又或是停水后忘記關(guān)水龍頭等情況。為了滿足人們對(duì)高品質(zhì)和智能化生活的向往，為了給人們提供便利和節(jié)約水資源。因此，研究智能自動(dòng)感應(yīng)水龍頭及其應(yīng)用，有著非常重要的意義。本設(shè)計(jì)就是基于超聲波和紅外線的智能感知水龍頭。具有智能開關(guān)、定時(shí)關(guān)閉、自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)蓄水，自動(dòng)提醒、反饋提醒等功能。

2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)使用Android Studio作為App開發(fā)軟件，使用Keil為STM32開發(fā)板編寫程序。在通信方面使用WiFi模塊，將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧[3]。將設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。硬件底層采用C語言實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)測(cè)功能以及平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，終端使用C#語言完成管理和接口功能，將接收到的數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)端應(yīng)用程序上，并通過寫有接口的開關(guān)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的控制。面向.NetFramework的語言編譯器提供了生成中間語言代碼的機(jī)制，這種機(jī)制使得不同語言之間相互操作成為可能。而后臺(tái)在.NetFarmework 框架的基礎(chǔ)上與數(shù)據(jù)庫(kù)相連。就可以使用MySQL來對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和各方面的操作。

2.1.1 硬件開發(fā)環(huán)境

開發(fā)板：STM32開發(fā)板。

傳感器：E3JK紅外線傳感器、HC-SR04超聲波傳感器、DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、TS-300B濁度傳感器。

WIFI模塊：ATK-ESP8266透?jìng)髂K。

其他硬件：電磁閥、電源。

2.1.2 軟件開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows10。

數(shù)據(jù)庫(kù)：MySQL。

開發(fā)語言：C、Java。

開發(fā)平臺(tái)：Android studio、KEIL。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)感應(yīng)水龍頭系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)便是感應(yīng)出水、智能蓄水，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化及水龍頭所在室內(nèi)的環(huán)境變化情況以及水質(zhì)的好壞。本系統(tǒng)整體分為五大模塊。

紅外自動(dòng)感應(yīng)模塊：利用紅外漫反射原理，當(dāng)人或物體靠近感應(yīng)水龍頭時(shí)，反射紅外光，光敏元件接收到光信號(hào)，從而進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，控制電磁閥打開水龍頭，當(dāng)人手或物體離開感應(yīng)水龍頭時(shí)，接收光電管接收不到反射光信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路斷開電磁閥電源，從而關(guān)閉水龍頭。

自動(dòng)蓄水模塊：使用超聲波傳感器，利用超聲波測(cè)距原理，當(dāng)自動(dòng)感應(yīng)到水龍頭下方放置的存水容器時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)水龍頭感應(yīng)出水，容器盛滿水后，水龍頭自動(dòng)關(guān)閉。主要是通過超聲波的傳播長(zhǎng)度來測(cè)量水是否盛滿容器，進(jìn)而控制水龍頭的水流。

定時(shí)關(guān)閉模塊：規(guī)定一個(gè)閥值，當(dāng)超時(shí)洗滌時(shí)，水龍頭自動(dòng)關(guān)閉。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊：采用數(shù)字溫度傳感器、濁度傳感器和溫濕度傳感器，監(jiān)控環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化情況。

用戶提醒模塊：將溫濕度及水質(zhì)，及盛水容器是否水滿等的信息通過手機(jī)App反饋給客戶。

由Stm32單片機(jī)作為主要控制開發(fā)板，首先利用不同的傳感器采集傳輸數(shù)據(jù)到Stm32單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，ESP8266模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備。WiFi模塊的主要功能是與串口通信，將其轉(zhuǎn)至WiFi，Stm32單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到ESP8266模塊，對(duì)單片機(jī)來說，僅通信即可，不需知曉此協(xié)議；另一個(gè)功能是用來充當(dāng)WiFi 熱點(diǎn)，手機(jī)搜索使用ESP8266模塊建的WiFi名稱就能進(jìn)行連接。具體信息傳輸系統(tǒng)框架圖（如圖1所示）。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，錄入并存儲(chǔ)用戶信息、水溫信息、室內(nèi)濕度信息、水質(zhì)濁度等歷史數(shù)據(jù)，方便前端用戶通過響應(yīng)的接口從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)。

用戶表用來存放記錄本系統(tǒng)所有用戶的基本信息，包括id，username，password，同時(shí)也含有各種數(shù)據(jù)的類型及屬性等基礎(chǔ)信息。用戶表（如表1所示）。

data表用來存放本系統(tǒng)中所有傳感器及顯示出來的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息，包括id，wendu（溫度），shidu（濕度），zhuodu（濁度），同時(shí)也含有各種數(shù)據(jù)的類型及屬性等基礎(chǔ)信息。data表（如表2所示）。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)感知水龍頭首先采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收管來完成。當(dāng)有物體靠近時(shí)，一部分紅外光被反射到接收管。紅外線控制自動(dòng)水龍頭的控制過程是：當(dāng)人或物體靠近自動(dòng)水龍頭時(shí)，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體反射到紅外接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過后續(xù)電路進(jìn)一步放大、整形、譯碼，最后驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥動(dòng)作打開水源[4]。當(dāng)人手或物體離開自動(dòng)水龍頭時(shí)，接收光電管接收不到反射光信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路斷開電磁閥電源，從而關(guān)閉水源。

本水龍頭采用了超聲波測(cè)距原理，發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt/2即可算出被測(cè)物體的距離[5]。即通過聲波的傳播距離來衡量水是否盛滿容器，進(jìn)而控制水龍頭的水流。再加之水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，水質(zhì)渾濁程度檢測(cè)功能等分析確定了系統(tǒng)的架構(gòu)。

4.1 水龍頭自動(dòng)感應(yīng)

使用紅外線傳感器控制電磁閥從而控制水龍頭的打開和關(guān)閉，當(dāng)手或物體放在紅外線傳感器附近時(shí)，電磁閥打開，當(dāng)手或物體離開時(shí)，電磁閥關(guān)閉。以下為自動(dòng)感應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖（如圖2所示）。

4.2 水龍頭自動(dòng)蓄水

使用超聲波測(cè)距原理，利用超聲波傳感器，設(shè)定距離為10厘米，當(dāng)容器放在水龍頭下方時(shí)，水龍頭自動(dòng)出水，容器內(nèi)水面距離水龍頭10厘米時(shí)，水龍頭會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

4.3 水滿智能提醒

根據(jù)需求設(shè)計(jì)水滿智能提醒功能，使用WiFi模塊進(jìn)行串口通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)App。當(dāng)感應(yīng)水龍頭下的容器盛滿水時(shí)，感應(yīng)水龍頭自動(dòng)關(guān)閉并提醒用戶水已盛滿。App中水滿智能提醒如圖3所示。

4.4 定時(shí)關(guān)閉

定時(shí)關(guān)閉功能，設(shè)置一個(gè)時(shí)間閥值，若超時(shí)洗滌，感應(yīng)水龍頭將自動(dòng)關(guān)水。圖4為App中超時(shí)關(guān)閉圖。

4.5 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，用來顯示串口信息，可以查看部分實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)顯示的時(shí)候同時(shí)也將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存。可以根據(jù)不同季節(jié)設(shè)置閥值，來控制不同條件的正常范圍?？梢栽诖丝刂撇糠汁h(huán)境監(jiān)測(cè)功能硬件的開關(guān)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)環(huán)境使其達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。以下為App中濕度顯示測(cè)圖（如圖5所示）。

4.6 水質(zhì)濁度檢測(cè)

水質(zhì)濁度檢測(cè)功能，使用濁度傳感器測(cè)量水的渾濁程度，可以在此看到自動(dòng)感應(yīng)水龍頭流出自來水的水質(zhì)渾濁程度。水質(zhì)濁度檢測(cè)圖（如圖6所示）。

5 總結(jié)

自動(dòng)感知水龍頭是為了解決老人小孩及上班族忘記關(guān)閉水龍頭而造成巨大的浪費(fèi)來設(shè)計(jì)的一款水龍頭，已經(jīng)基本完成了水龍頭的溫濕度檢測(cè)、濁度檢測(cè)、定時(shí)關(guān)閉，自動(dòng)蓄水，水滿提醒等功能，是一款軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，但是由于開發(fā)能力有限，對(duì)于系統(tǒng)的封裝及遠(yuǎn)程控制水龍頭的開關(guān)還沒有實(shí)現(xiàn)，水質(zhì)檢測(cè)過于簡(jiǎn)單，很多功能有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

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