智能補水系統(tǒng)的設(shè)計

陳 震

（泰州職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 泰州）

引言

目前，市場上熱水采暖系統(tǒng)和中央空調(diào)系統(tǒng)大部分采用水為媒介進行換熱，為了保證系統(tǒng)冷熱交換穩(wěn)定正常，空調(diào)水系統(tǒng)必須保持有一定的系統(tǒng)循環(huán)壓力，因此熱水采暖系統(tǒng)和中央空調(diào)系統(tǒng)通常需要安裝自動補水裝置，從而保證水系統(tǒng)內(nèi)不倒空、不汽化、不超壓。系統(tǒng)通常采用自動補水閥進行定壓補水[1-2]，當系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力時閥門自動打開補水，達到設(shè)定壓力時自動關(guān)閉閥門停止補水。但當密閉水系統(tǒng)出現(xiàn)漏水點后，為了維持水壓，補水閥會一直打開閥門補水，造成水資源的浪費。若是在寒冷的天氣下，漏水處會受凍結(jié)冰，導(dǎo)致管道爆裂，自動補水閥出水端壓力變小，導(dǎo)致補水裝置只能不斷補水，造成水資源的浪費，甚至財產(chǎn)的重大損失。

為了解決自動補水閥不能判斷漏水的問題，本文提出了一種基于機智云的智能補水系統(tǒng)的設(shè)計[3-5]。補水系統(tǒng)通過流量傳感器檢測密閉水系統(tǒng)的補水量，根據(jù)補水量判斷水系統(tǒng)是否發(fā)生泄漏，同時通過Wi-Fi與機智云平臺連接，將補水量等相關(guān)信息發(fā)送到云平臺，通過云平臺或手機APP 可以實時觀察補水量以及補水閥的開關(guān)信息，同時可以手動切換補水閥開關(guān)。

1 機智云平臺

機智云平臺是機智云物聯(lián)網(wǎng)公司面向個人、企業(yè)開發(fā)者推出的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺。平臺提供了從定義產(chǎn)品、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)測、云端開發(fā)、運營管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等覆蓋智能硬件接入到運營管理全生命周期服務(wù)的能力。

平臺主要包括技術(shù)中臺、業(yè)務(wù)中臺、數(shù)據(jù)中臺三部分。技術(shù)中臺負責管理技術(shù)方面問題，實現(xiàn)用戶到云平臺的數(shù)據(jù)處理；業(yè)務(wù)平臺負責物聯(lián)網(wǎng)平臺與用戶之間的業(yè)務(wù)處理，以保證物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)可以緊跟時代的高速發(fā)展和解決用戶日益增長的業(yè)務(wù)問題；數(shù)據(jù)平臺負責將數(shù)據(jù)集中化處理，并保存在系統(tǒng)云端，可以方便用戶在云端找到所需要的主題系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。主要由主控制器、無線通信模塊、水流量傳感器模塊、繼電器控制模塊等組成。整個系統(tǒng)以STC8F2K16S2 單片機為核心，水流量傳感器YF-S201 實現(xiàn)對補水量的采集和電磁閥的開關(guān)，Wi-Fi 無線通信模塊ESP-01S 通過串口將主控制器與機智云平臺連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及命令的下發(fā)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控制器

本系統(tǒng)采用STC8F2K16S2 單片機作為主控制器芯片。STC8F2K16S2 是宏晶科技的一款基于51 內(nèi)核的單片機，指令完全兼容傳統(tǒng)5051，是單時鐘/機器周期 (1T) 的單片機，比傳統(tǒng)的8051 系列要快11.2～13.2 倍，其片內(nèi)具有16K 程序存儲器。

2.2 無線通信模塊

ESP-01S 是由安信可開發(fā)的WiFi 模塊，該模塊核心處理器ESP8266 芯片是高性能無線SoC，以最低成本提供最大實用性，高度集成天線開關(guān)、射頻巴倫、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器等射頻模塊，同時芯片內(nèi)置了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106 超低功耗32 位微型MCU，帶有16 位精簡模式，主頻支持80 MHz 和160 MHz，支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi 協(xié)議棧，可將高達80%的處理能力應(yīng)用于編程和開發(fā)。

ESP-01S 模塊支持標準的無線802.11b/g/n 標準，完整的TCP/IP 協(xié)議棧。用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

ESP-01S 可以作為獨立WiFi MCU 運行，用戶通過基于RTOS 的SDK 開發(fā)帶WiFi 連接功能的產(chǎn)品。也可以通過SPI/SDIO 接口或UART 接口即可作為WiFi 適配器，應(yīng)用到基于任何微控制器設(shè)計中。

ESP-01S 模組共接出8 個管腳，管腳功能定義見表1。

表1 管腳功能定義

本設(shè)計中將ESP-01S 模塊通過串口與主控制器STC8F2K16S2 連接，通過其內(nèi)置的固件為主控制器提供Wi-Fi 連接功能。具體電路見圖2。

圖2 ESP-01S 接口電路

2.3 水流量傳感器模塊

根據(jù)實際應(yīng)用場合和控制的需要，選用基于霍爾元件的水流量傳感器模塊YF-S201。水流量傳感器主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、霍爾傳感器和電磁閥組成。當水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，帶動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，霍爾傳感器產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，因此，可通過檢測脈沖信號的個數(shù)來判斷水流量的多少。

YF-S201 工作電壓范圍寬，直流5～18 V 供電，DC5 V 時，最大工作電流15 mA，耐水壓≤1.75 MPa，流量脈沖頻率與水量的關(guān)系見公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F(xiàn) 是流量脈沖頻率，單位Hz；Q 是水流量，單位L/min。

YF-S201 將電磁閥和流量傳感器一體化，降低了設(shè)備的安裝難度，使用方便。YF-S201 有2 個接口，流量傳感器接線方式采用三線制，紅線是電源線，接電源正極，黃線是脈沖信號輸出線，黑線地線，接電源負極。電磁閥接線采用兩線制，接12 V 的線圈控制電壓。

YF-S201 模塊中流量傳感器的信號采集電路見圖3，流量傳感器的工作電壓5 V，輸出脈沖信號的幅值是5 V，而主控制器STC8F2K16S2 是3.3 V 供電，兩者的IO 電平不匹配，因此通過一個簡單的分壓電路將脈沖的幅度轉(zhuǎn)換成3 V 送給主控制器的外部中斷INT0。

圖3 YF-S201 信號采集電路

2.4 繼電器控制模塊

YF-S201 模塊中電磁閥是通過直流12 V 控制的，因此主控制器不能直接控制電磁閥，必須通過繼電器模塊來控制電磁閥的開關(guān)。電路見圖4。其中主控制器和繼電器模塊之間通過光耦進行隔離。

圖4 繼電器驅(qū)動電路

2.5 電源模塊

根據(jù)前面模塊電路的設(shè)計，系統(tǒng)需要12 V、5 V和3.3 V 三種電源。系統(tǒng)選用固定輸出電壓3.3 V 和5 V 的AMS1117 來實現(xiàn)供電。見圖5。12 V 電壓由開關(guān)電源提供，其中一路用來控制電磁閥，一路通過AMS1117-5 V 將12 V 轉(zhuǎn)換為5 V 穩(wěn)定電壓。5 V 電壓除了給流量傳感器供電和控制繼電器以外，還通過AMS1117-3.3 V 將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V 穩(wěn)定電壓。因為Wi-Fi 模塊要求外部供電電源輸出電流建議在500 mA 以上，為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，因此通過2 片AMS1117-3.3 V 將5 V 轉(zhuǎn)換為2 路獨立的3.3 V 穩(wěn)定電壓，其中一路單獨給Wi-Fi 模塊供電，另一路給主控器和其它器件供電。

圖5 系統(tǒng)電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為上位機和下位機兩部分，見圖6。下位機軟件是指單片機模塊的程序設(shè)計，通過傳感器記錄水流量和電磁閥的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳送到云端。上位機軟件是指手機端的移動APP，通過APP 可以實時查看下位機上傳的數(shù)據(jù)，并可以云端對下位機進行控制。兩者通過機智云平臺進行數(shù)據(jù)信息的交換。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 云端數(shù)據(jù)點設(shè)置

在機智云平臺進入個人賬戶后，創(chuàng)建新產(chǎn)品，名稱設(shè)置為“智能水閥”。根據(jù)水閥控制的需求，定義了3個數(shù)據(jù)點，見表2。

表2 數(shù)據(jù)點定義

其中，數(shù)據(jù)點onoff 用于顯示電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，同時為了能夠通過移動APP 控制的電磁閥的開關(guān)，因此將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為onoff，讀寫類型設(shè)置為可寫，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為布爾值。數(shù)據(jù)點水流量用于顯示系統(tǒng)的補水量，將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為flow，讀寫類型設(shè)置為只讀，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為數(shù)值。數(shù)據(jù)點報警用于補水量超過閾值時報警，將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為alarm，讀寫類型設(shè)置為報警，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為布爾值。

3.2 單片機程序設(shè)計

數(shù)據(jù)點設(shè)置好后，進入MCU 開發(fā)頁面，機智云會根據(jù)定義的數(shù)據(jù)點自動生成整個MCU 工程代碼。自動生成的代碼已經(jīng)根據(jù)用戶定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點信息，生成了對應(yīng)的機智云串口協(xié)議層代碼。工程代碼需要用戶開發(fā)的有三部分，一是配置處理，用于設(shè)備配置入網(wǎng)及恢復(fù)出廠設(shè)置；二是下行處理，用于移動APP控制電磁閥的開關(guān)；三是上行處理，用于補水量和電磁閥開關(guān)狀態(tài)的獲取。

在WiFi 模塊使用前，需要將其配置入網(wǎng)。在程序中通過按鍵使WiFi 模塊進入AirLink 配網(wǎng)模式。下行處理只需在gizwitsEventProcess()函數(shù)中處理相應(yīng)事件即可。上行處理在userHandle()函數(shù)中實現(xiàn)即可，用于補水量和電磁閥開關(guān)狀態(tài)的獲取。

水流量傳感器輸出的脈沖信號作為外部中斷信號送入單片機，每10 s 計算一次水流量并累加，若10 s內(nèi)水流量或累計水流量超過規(guī)定的閾值，則自動關(guān)閉電磁閥停止補水。流程見圖7。

圖7 上行下行處理流程

3.3 手機APP 設(shè)計

機智云平臺根據(jù)我們定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點，自動生成App 源碼，可直接編譯打包成App 安裝包，安裝后便可運行控制設(shè)備。也可以在源碼的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

打開移動APP，登錄后進入我的設(shè)備頁面，選擇所要連接的WiFi 網(wǎng)絡(luò)，并輸入密碼，進入AirLink 配網(wǎng)模式后，設(shè)備自動進行配置。配置完成后（見圖8），此時，真實設(shè)備文字圖標顏色變成黃色，說明設(shè)備已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，和機智云平臺已經(jīng)通訊成功。

圖8 設(shè)備入網(wǎng)配置成功頁面

點擊真實設(shè)備，進入智能水閥控制頁面，見圖9，此時可以看到水流量為0，電磁閥處于打開狀態(tài)。

圖9 智能水閥正常工作頁面

水流量傳感器將流量信息傳送單片機后，頁面可以實時顯示水流量，當超出閾值時，可以看到電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，同時彈出消息框提示報警信息，見圖10。

圖10 智能水閥報警頁面

5 結(jié)論

本文通過水流量傳感器檢測密閉水系統(tǒng)的補水量，根據(jù)補水量的多少自動對補水閥通斷，同時基于機智云平臺實現(xiàn)對密閉水系統(tǒng)補水的遠程實時監(jiān)測和控制。根據(jù)此方法構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件，通過系統(tǒng)調(diào)試，驗證了該系統(tǒng)能對密閉水系統(tǒng)的補水情況進行有效監(jiān)測和控制。