水箱漏水智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周秀珍

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430072）

0 引言

目前，大多數(shù)高層居民樓儲(chǔ)水設(shè)備為水箱，儲(chǔ)水箱多安裝在樓頂或偏僻場(chǎng)所，一般通過(guò)人工定時(shí)巡查檢測(cè)水箱情況，一旦水箱出現(xiàn)漏水，很難及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成水資源浪費(fèi)。對(duì)于檢測(cè)漏水的儀器有很多，國(guó)外很早就開(kāi)發(fā)了實(shí)用性較強(qiáng)的輕型檢漏儀，提高了檢測(cè)設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性。但檢漏儀通常比較昂貴，在管道，機(jī)房，倉(cāng)庫(kù)等地用得比較多。而國(guó)內(nèi)外關(guān)于漏水檢測(cè)的儀器和傳感器有多種，有音聽(tīng)檢測(cè)，通過(guò)聽(tīng)各點(diǎn)聲音檢測(cè)是否漏水，但這種檢測(cè)不能持續(xù)對(duì)水箱進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)；有漏水感應(yīng)線纜，通過(guò)檢測(cè)線纜回路的電阻變化來(lái)確定是否漏水，將它埋設(shè)到機(jī)房或者纏繞到管道比較容易檢測(cè)到漏水情況和漏水點(diǎn)，但是對(duì)于水箱檢測(cè)操作起來(lái)不是很方便；還有無(wú)線針式漏水檢測(cè)傳感器，傳感器地腳有4 個(gè)針，漏水時(shí)通過(guò)水的導(dǎo)電性使任意兩個(gè)點(diǎn)聯(lián)通發(fā)出信號(hào)，但這種多用于家中易漏水點(diǎn)的檢測(cè)，對(duì)于室外較大型水箱并不適合。且大多數(shù)漏水檢測(cè)傳感器多要接觸見(jiàn)到水才能發(fā)出有效信號(hào)，不能直接適用了居民儲(chǔ)水箱。本文研究和設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)水箱漏水智能監(jiān)測(cè)和報(bào)警控制系統(tǒng)，可以對(duì)水箱漏水進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警，以減少水的浪費(fèi)，為節(jié)約水資源做貢獻(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)水箱漏水智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，采用5 個(gè)主要模塊組成整個(gè)系統(tǒng)：檢測(cè)模塊，單片機(jī)控制模塊、通信模塊、顯示執(zhí)行模塊，數(shù)據(jù)終端模塊。本系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)模塊采集水箱相關(guān)信號(hào)，給單片機(jī)控制模塊進(jìn)行處理和判斷是否漏水及實(shí)時(shí)水位，經(jīng)通信模塊傳送到數(shù)據(jù)終端和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱就地或者遠(yuǎn)程有效控制。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■1.1 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱漏水情況的檢測(cè)。傳統(tǒng)的漏水檢測(cè)傳感器一般都需要積水達(dá)到一定的程度才能進(jìn)行有效的檢測(cè)[1]，但水箱漏水多發(fā)生地較為緩慢，且漏水的點(diǎn)不固定，等采集到有效的水量時(shí)，很有可能已經(jīng)漏了很多水了，等發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)造成了浪費(fèi)；并且大部分水箱安裝在室外，由于下雨造成的積水也會(huì)產(chǎn)生假性檢測(cè)，誤認(rèn)為是水箱漏水，所以采用傳統(tǒng)的漏水檢測(cè)傳感器，并不能及時(shí)有效的檢測(cè)到水箱是否漏水。

本系統(tǒng)在這里主要采用間接檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)漏水情況。僅單純采用水位傳感器只能檢測(cè)水位的高低，但影響水位高低的因素有很多，有因進(jìn)水閥打開(kāi)的水箱進(jìn)水，也有因居民用水產(chǎn)生的出水，而且居民用水量并沒(méi)有一定的規(guī)律，因此水箱水位的突然降低可能是因?yàn)槁┧饋?lái)的，但也有可能是居民集中用水突增引起，所以僅靠判斷水位高低并不能精確的確定水箱是否漏水。綜合這些因素，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了間接漏水檢測(cè)法，其原理如圖2 所示，在水箱進(jìn)水管處安裝水流量傳感器檢測(cè)進(jìn)水量，在水箱的出水管處也安裝水流量此處主要檢測(cè)出水流量，在水箱的底部放置水壓傳感器，主要用于水箱水位高度變化的檢測(cè)。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出水流量之差剛好等于水位的變化引起的水箱水容量變化，認(rèn)為不漏水；當(dāng)進(jìn)出水的水流量之差與水位的變化引起的水箱水容量變化相差很大，則認(rèn)為漏水。同時(shí)還可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)水箱的水位情況，以預(yù)防停水。

圖2 水箱漏水檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖

水壓力傳感器這里主要采用，輸出信號(hào)為4～20mA 的電流模擬信號(hào)，這里可以直接A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行出處理。水流量傳感器為霍爾水流量傳感器，這里主要輸出的為脈沖信號(hào)，可以直接接到單片機(jī)的數(shù)字量IO 口進(jìn)行處理。傳感器如圖3 和圖4 所示。

圖3 水流量傳感器

圖4 水壓傳感器

■1.2 通信模塊

通信模塊，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。由于水箱多安裝在樓頂或偏僻場(chǎng)所，故就算檢測(cè)模塊檢測(cè)出正在漏水，而管理員并不在現(xiàn)場(chǎng)也不能及時(shí)的關(guān)閉水閥和處理漏水的情況，而通信模塊可通過(guò)控制模塊將漏水情況及時(shí)地傳遞到不在現(xiàn)場(chǎng)管理人員。

本系統(tǒng)的通信模塊主要采用ESP8266 無(wú)線模塊，如圖5 所示。ESP8266 是一款高性能的WiFi 串口模塊，內(nèi)部集成了MCU 能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間串口通信。是目前使用最廣泛的一種WiFi 模塊之一。它可以和ARM 芯片進(jìn)行直接的交互，也可以直接和手機(jī)APP 進(jìn)行交互，經(jīng)過(guò)控制核心檢測(cè)和判定的結(jié)果。

圖5 ESP8266 WiFi 模塊

圖6 STM32F103C 單片機(jī)

■1.3 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)模塊采集的信號(hào)進(jìn)行處理，以判斷水位的高低計(jì)算水箱實(shí)時(shí)水位，根據(jù)進(jìn)出水量和水位高低變化計(jì)算判斷水箱的漏水情況；同時(shí)根據(jù)漏水情況與否通過(guò)通信模塊向遠(yuǎn)程手機(jī)APP報(bào)警，也可直接對(duì)執(zhí)行模塊進(jìn)行電磁閥的閉合操作；還可以接LCD 顯示模塊，對(duì)水位情況，以及漏水情況進(jìn)行顯示和報(bào)警。

本系統(tǒng)的控制核心采用32 位的ARM 芯片，其型號(hào)為STM32F103C8T6，它是一款由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器，硬件采用LQFP48 封裝，屬于ST 公司微控制器中的STM32 系列。內(nèi)部有多個(gè)GPIO 可對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行接收，同時(shí)也集成了2個(gè)12bit 的ADC 和4 個(gè)16bit 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。ADC 可直接對(duì)傳感器模擬量信號(hào)進(jìn)行采集和處理，這里可以直接對(duì)水壓信號(hào)進(jìn)行采集和處理判斷，通過(guò)CPU 可以計(jì)算出實(shí)時(shí)水位，以及上個(gè)單位時(shí)間內(nèi)水的變化量。使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)通過(guò)GPIO 采集水流量傳感器脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)具體數(shù)值計(jì)算出實(shí)際的水流量。通過(guò)GPIO 給通信模塊和LCD 顯示執(zhí)行模塊傳遞指令信號(hào)。具體的信號(hào)控制圖如圖7 所示。

圖7 STM32F103C 信號(hào)控制圖

圖8 OLED 液晶顯示模塊

■1.4 顯示執(zhí)行模塊

顯示執(zhí)行模塊主要包括二大部分，顯示模塊和執(zhí)行模塊。顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)水位情況、漏水情況及報(bào)警的情況的顯示，這里通過(guò)單片機(jī)將計(jì)算處理的相關(guān)信號(hào)和結(jié)果傳送到LCD 上進(jìn)行顯示，本系統(tǒng)采用小型OLED12864 的液晶顯示屏[2]，可直接安裝在水閥旁邊，便于管理人員隨時(shí)能直接觀察到水箱情況，同時(shí)還可配置蜂鳴器等模塊進(jìn)行報(bào)警提示。執(zhí)行模塊主要執(zhí)行相關(guān)的處理操作包括打開(kāi)和關(guān)閉各種電池閥等。

2 漏水檢測(cè)的原理和實(shí)現(xiàn)

■2.1 間接漏水檢測(cè)原理

間接漏水檢測(cè)法，是通過(guò)計(jì)算水箱進(jìn)水量和出水流量，以及水箱實(shí)際變化的容量，通過(guò)比較單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出水之差和實(shí)際容量變化之差，來(lái)判斷漏水情況。因此關(guān)鍵是單位時(shí)間內(nèi)水箱進(jìn)水量和出水量的測(cè)量和計(jì)算，以及水箱實(shí)際容量的變換測(cè)量和計(jì)算。

本系統(tǒng)的中進(jìn)出水量的測(cè)量主要是通過(guò)水流量傳感器，本系統(tǒng)的漏水檢測(cè)是主要是通過(guò)水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時(shí)通上5V 的直流電壓并使電流方向與磁場(chǎng)方向正交。當(dāng)水通過(guò)渦輪開(kāi)關(guān)推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于渦輪流量計(jì)的輸出脈沖信號(hào)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CPU通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)接收到脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并啟動(dòng)定時(shí)，通過(guò)單位時(shí)間t 的脈沖數(shù)(設(shè)脈沖數(shù)為n)，就計(jì)算出轉(zhuǎn)速，再正比（假設(shè)比例系數(shù)為K）與水流量即可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)水流量，水流量=K*n/t。通過(guò)在進(jìn)水管和出水管的水流量檢測(cè)器的信號(hào)采集就可以計(jì)算出整個(gè)進(jìn)水量和出水量。

而檢測(cè)水位高度的主要采用壓強(qiáng)傳感器，根據(jù)P=ρgh，根據(jù)壓強(qiáng)可以檢測(cè)出實(shí)時(shí)高度，根據(jù)壓強(qiáng)的變化可以推算出高度的變化，根據(jù)水箱的形狀可以計(jì)算出水箱的橫截面面積（假設(shè)為S），那么水箱在單位時(shí)間內(nèi)的變化量ΔV=SΔh。

假設(shè)進(jìn)水量為V1=K*n1/t，出水量V2=K*n2/t，那么水箱的凈增長(zhǎng)量Vj=V1-V2。比較水箱凈增長(zhǎng)量和水箱的變化量，就可以判斷出水箱的漏水情況。再根據(jù)漏水量的多少，判斷漏水的嚴(yán)重性。將單個(gè)單位時(shí)間漏水量進(jìn)行累加就可以計(jì)算出累積漏水量。

漏水的判斷規(guī)則如下：

(1)特別說(shuō)明這里的Vj始終是進(jìn)水量減出水量，即水的凈增長(zhǎng)量；而水箱的體積變化量ΔV，始終為當(dāng)前時(shí)間的水量減去前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的，即水箱中水容量的增長(zhǎng)量；

(2)當(dāng)Vj-ΔV大于10ml（單位時(shí)間以1 分鐘為計(jì)），即1 個(gè)小時(shí)漏了0.6L 水，則認(rèn)為水箱嚴(yán)重漏水；

(3)當(dāng)Vj-ΔV大于3ml（單位時(shí)間以1 分鐘為計(jì)）小于10ml，水則認(rèn)為水箱漏水了；

(4)當(dāng)Vj-ΔV小于3ml 大于1ml（單位時(shí)間以1 分鐘為計(jì)），則認(rèn)為水箱輕微漏水；

(5)當(dāng)Vj-ΔV小于-2ml（單位時(shí)間以1 分鐘為計(jì)），則認(rèn)為可能進(jìn)出水傳感器出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)樗膬粼鲩L(zhǎng)量不可能小于水的容量的增長(zhǎng)量，即水箱里面的水容量增長(zhǎng)了，但是水沒(méi)有增長(zhǎng)，這種情況不可能，所以這樣只可能是傳感器出了問(wèn)題；

(6)同時(shí)還可將漏水量累計(jì)起來(lái)，計(jì)算總漏水量。

■2.2 漏水檢測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)檢測(cè)原理和漏水判斷規(guī)則，漏水檢測(cè)的程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖9 所示。首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計(jì)算水流量、水箱凈增長(zhǎng)量和實(shí)際水箱的增長(zhǎng)量，再替換存儲(chǔ)當(dāng)前值和上個(gè)時(shí)間點(diǎn)值，計(jì)算單位時(shí)間漏水量和累積計(jì)算漏水總量。根據(jù)單位時(shí)間的漏水量分級(jí)判斷漏水級(jí)別，以后需按照相應(yīng)的級(jí)別進(jìn)行控制處理。

圖9 漏水判斷流程圖

3 漏水智能檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)漏水檢測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)漏水情況的判斷和水箱實(shí)時(shí)位置的判斷。單片機(jī)主控芯片則根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分級(jí)報(bào)警警示和報(bào)警處理。主要的流程如圖10 所示。同時(shí)還會(huì)將相關(guān)的信息進(jìn)行整合和顯示在近端的LCD 和遠(yuǎn)端的手機(jī)APP 上。

圖10 水箱智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)流程圖

整個(gè)系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)功能：

(1)初始化處理

單片機(jī)上電后，先進(jìn)行初始化，初始化主要包括定時(shí)器，OLED，A/D 接口等模塊的初始化。定時(shí)器模塊主要是便于實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)定時(shí)和對(duì)進(jìn)出水量的脈沖計(jì)數(shù)，OLED 做好顯示的準(zhǔn)備，A/D 接口便于直接處理外部的壓強(qiáng)傳感器信號(hào)以計(jì)算進(jìn)出水量。

(2)漏水功能檢測(cè)和處理

初始化完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，調(diào)用漏水判斷處理程序，判斷漏水情況。根據(jù)漏水檢測(cè)程序的處理，獲取的漏水情況有，嚴(yán)重漏水，漏水，輕微漏水和不漏水，以及故障狀態(tài)；再根據(jù)漏水的嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行不同的控制處理。當(dāng)漏水嚴(yán)重，立即進(jìn)行關(guān)閉進(jìn)水閥，同時(shí)聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息遠(yuǎn)程發(fā)送到管理員手機(jī)上，提醒管理人員，立即趕到現(xiàn)場(chǎng)檢修并處理；如果一般漏水，則不關(guān)閉水閥，但會(huì)報(bào)警，并將報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)程管理員手機(jī)APP 上，通知管理員趕到現(xiàn)場(chǎng)檢修和處理；如果是輕微漏水，則會(huì)顯示漏水量，并將預(yù)警信息遠(yuǎn)程發(fā)送到手機(jī)APP 上，提醒管理員可能會(huì)漏水，進(jìn)行巡查和檢修。如果不漏水，則不報(bào)警，但是也會(huì)將水箱的實(shí)時(shí)位置，及用水量等相關(guān)信息進(jìn)行顯示和發(fā)送到遠(yuǎn)程APP 上，進(jìn)行日常監(jiān)視。如果是出現(xiàn)傳感器故障狀態(tài)，也會(huì)提醒管理員到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和判斷是否傳感器存在故障，以進(jìn)行更換。

(3)信息檢測(cè)與顯示

不管是否存在漏水，漏水情況如何都會(huì)將水箱的常規(guī)信息在近端的LED 顯示，同時(shí)也會(huì)通過(guò)通信模塊與手機(jī)進(jìn)行互通，將液位、水壓、進(jìn)出口水流量、耗水量等數(shù)據(jù)保存到服務(wù)器終端，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)整合，形成大數(shù)據(jù)智能交互系統(tǒng)。管理員可根據(jù)個(gè)人意向，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，并可在嚴(yán)重漏水時(shí)遠(yuǎn)程控制關(guān)閥。

4 結(jié)論與存在問(wèn)題

通過(guò)搭建小型單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬測(cè)試，基本上可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分級(jí)報(bào)警，以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，遠(yuǎn)程控制電磁閥等功能，實(shí)現(xiàn)水箱漏水檢測(cè)，智能報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。主要存在以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)智能管理，省時(shí)省力。通過(guò)各傳感器與單片機(jī)之間的信息交互來(lái)實(shí)現(xiàn)漏水監(jiān)測(cè)，并經(jīng)由WiFi 模塊短信預(yù)警、遠(yuǎn)程關(guān)閥，省去不必要的人力、精力，靈敏度高，控制便利。(2)響應(yīng)靈敏，性價(jià)比高。將單片機(jī)作為控制核心的儲(chǔ)水箱漏水智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，成本低廉，響應(yīng)靈敏，控制方便，性價(jià)比高。(3)及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水，有效節(jié)約水資源。小區(qū)能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)水箱漏水情況，有效管理水箱節(jié)約用水，保護(hù)水資源。

但也存在一些問(wèn)題，后期有很多地方需要努力，主要包含以下方面：

(1)測(cè)試還需更進(jìn)一步加強(qiáng)，針對(duì)實(shí)際的儲(chǔ)水箱和進(jìn)出水閥進(jìn)行有效測(cè)試，以及考慮不同水箱形狀，安裝位置，來(lái)綜合考慮傳感器安裝以及水箱容量計(jì)算等細(xì)節(jié)方面地進(jìn)行深入調(diào)試。(2)漏水檢測(cè)目前對(duì)象還比較單一，借助水箱漏水監(jiān)測(cè)控制的成功經(jīng)驗(yàn)，將創(chuàng)意能延伸擴(kuò)展到油箱等其他液體類容器漏液監(jiān)測(cè)上去，在其他的行業(yè)和生產(chǎn)等過(guò)程中也發(fā)揮重大的意義。(3)目前只是實(shí)現(xiàn)單個(gè)水箱的檢測(cè)和水位管理，后期可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)+和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大數(shù)據(jù)不斷融合，接入到整個(gè)片區(qū)的智慧生活網(wǎng)絡(luò)中去，嘗試打造居民互聯(lián)網(wǎng)+的智慧生活。