基于物聯網的智能用水監管系統

摘 要：設計了一款基于物聯網的智能用水監管系統，該系統由用水信息采集板卡、微信小程序和OneNET物聯網云平臺組成。系統采用STM32G070CBT6作為主控芯片，通過水質檢測模塊、水流量模塊、電磁閥模塊、ESP8266-01S WiFi模塊和OneNET云平臺大數據分析技術實現了用水信息實時監管、監控用水數據記錄和漏水預警等功能。該系統可以檢測水質、水溫、用水總量、實時水流量等用水信息，并將數據實時傳輸至云平臺，方便用戶可以通過微信小程序實現數據的遠程監控。系統根據用水信息分析，可以實現漏水預警功能。當收到漏水預警時，用戶可以遠程關閉進水總閥門，從而避免家庭漏水事故的發生。本文提出的智能用水監管系統具有一定的創新性和實際應用價值，對于家庭健康飲水和家庭水資源管理具有重要的意義。

關鍵詞：物聯網；智能用水；水質檢測；漏水預警；遠程控制；云平臺

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

供水公司往往只關注家庭用水總量和供水水質，對于家庭漏水、入戶水質并不檢測和反饋，并且當前供水公司使用的水表只能夠給用戶提供一個總體用水量。然而，家庭用水常常伴隨著水管破裂、停水時打開龍頭而忘記關閉、馬桶偷偷漏水等問題，不但造成水資源的浪費，還會給用戶帶來重大財產損失[1]。在供水企業運營中，減少供水的漏失率，不但能充分利用水這種不可再生的資源，有利于社會的可持續發展，而且能夠提高水行業的經濟效益[2]。世界衛生組織權威調查表明：全世界80%的疾病和飲水污染有關。所以用戶有必要知道更多用水信息，關注水質情況，做到安全用水，健康飲水。

隨著移動互聯網的普及和提速，家居生活也在向著智能化方向發展。隨著人民生活水平的提高，家庭用戶進入消費升級階段，消費者更加重視生活品質[3]。圍繞智能家居理念的家電產品越來越多地滲透進家庭中。在當前全球能源緊張的大環境下，如何實現一個高效節能、綠色環保的家居環境已經成為當前智能家居領域研究的熱點之一[4]。因此對家庭用水過程中所遇到的漏水、水質檢測等問題進行總結分析，綜合運用物聯網技術，設計了一種基于物聯網的智能用水在線監管系統。系統包括下位機、OneNET云平臺、微信小程序三大部分。下位機以STM32G070CBT6作為主控芯片，結合水質檢測模塊、水流量模塊、水壓力檢測模塊、電磁閥控制模塊、ESP8266-01S WiFi模塊和OneNET云平臺，通過實時監管和記錄用水信息、反饋是否漏水等信息，實現了用水流量檢測、用水總量監測、飲用水水質監測、漏水預警、遠程控制進水總閥門等功能。同時，用戶可以通過微信小程序獲取水流量、用水總量、TDS值和預警值等相關數據，實現數據的遠程監測。

1 系統設計

系統總體結構如圖1所示，由下位機、云平臺與微信小程序三大部分構成。下位機是整個系統的核心部分，主要由 STM32G070CBT6控制器、水流量檢測模塊、ESP8266-01S WiFi模塊、電磁閥控制模塊、溫度檢測模塊、TDS檢測模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。下位機的主要作用是實現對用水信息的全面監測和漏水預警功能。通過流量傳感器實時監測水流量大小，對其進行積分運算可得用水總量；根據單次用水時長判斷是否出現漏水。通過TDS水質檢測模塊實時采集自來水TDS值，并通過溫度傳感器測得當前水溫，以補償溫度對TDS測量結果的影響。云平臺主要實現數據存儲和上位機顯示。所有數據經過STM32G070CBT6處理打包之后，通過ESP8266-01S WiFi模塊按照MQTT協議發送至物聯網OneNET云平臺。微信小程序實時從OneNET云平臺通過MQTT協議獲取數據進行展示。當小程序收到系統發出的漏水預警時，用戶則可以通過小程序遠程發送關閉進水總閥門的控制指令至下位機，STM32G070CBT6解析相應命令，控制進水電磁閥門關閉，從而避免漏水事故發生。

2 硬件設計

系統采用STM32G070CBT6單片機作為主控，電路系統包括TFT顯示模塊、WiFi通信模塊、流量計、復位電路、水質檢測模塊、電源模塊、蜂鳴器模塊、電磁閥控制模塊、按鍵控制模塊與工作指示燈。由于篇幅有限，這里僅對主控芯片、水質檢測電路、流量計、WiFi模塊、電磁閥模塊、電源電路進行介紹。

2.1 主控芯片

STM32G070CBT6是ST（意法半導體）公司生產的主流微控制器，基于高性能ARM?Cortex?-M0+32位RISC內核，工作頻率高達64 MHz，適用于消費者、工業和家電領域，并為物聯網（IoT）解決方案做好了準備[5]。因此，選擇STM32G070CBT6作為整個系統的主控芯片。該芯片是連接流量傳感器、TDS檢測傳感器、LCD顯示模塊和電磁閥模塊協調工作的關鍵。該芯片通過其定時器捕獲的功能測得流量傳感器的脈沖頻率，并將脈沖轉化為流量數據；通過該芯片的ADC通道實時獲取采樣電阻電壓，并轉換為TDS值；獲取到數據后可以通過LCD屏幕將實時流量、用水總量和水質TDS值直觀地顯示在家庭用戶面前。通過該芯片的通用定時器計時的方式來判斷是否出現了家庭漏水情況。

2.2 電源模塊

系統采用220 V交流輸入且12 V、1 A直流輸出的電源適配器作為輸入電源。12 V電源直接為電磁閥和流量計供電。12 V輸入電壓經過XL1509-5.0 DC-DC降壓芯片降至5.0 V，如圖2所示。5 V電壓經過兩片LM1117-3.3 V LDO模塊降至

3.3 V，分別為ESP8266和主控制器供電等電路模塊提供電源。

2.3 水質TDS檢測電路

飲用水TDS檢測目前都是采用探針測量的方式[6]，總溶解固體（TDS）是指水中所有溶解的無機和有機物質的總量。通過使用特定電極測量水樣電導率并將結果轉化為TDS值[7]，將探針置于水中，施加直流脈沖激勵信號，從而使探針兩端實現交變的直流電壓，測定探針兩極電壓，計算出水的TDS值。但是這種方式下需要長期在探針兩端加入同一方向的電壓，容易產生寄生電容，會使得測量結果不準確。本文設計了一種對稱的正反TDS測定方法。將探針的一個電極通過精度為1%的采樣電阻連接至MCU的輸出口；另一個電極也通過采樣電阻連接至MCU的另一個輸出口。這樣就可以實現交變信號，有效地避免極化效應和電容效應。

2.4 流量檢測傳感器

流量傳感器的工作電壓為12 V。該傳感器使用簡單，只須串聯在供水管道中，傳感器就會輸出脈沖信號，該信號與STM32G070CBT6處理器的PA8接口相連接，可以通過定時器的捕獲模式準確計數脈沖。

2.5 顯示模塊

系統顯示模塊采用1.8寸LCD顯示屏，與主控制器采用SPI方式通信，可以達到非常高的像素密度和分辨率，使得圖像更加細膩、清晰、真實[8]。在本系統中，TFT液晶顯示屏主要用來顯示家庭用水的水質、用水量、實時流量、漏水預警情況等信息。

2.6 WiFi通信模塊

本設計采用ESP8266-01S WiFi通信模塊實現下位機與OneNET云平臺之間的通信。主控制器獲取的用水數據通過ESP8266發送至中國移動OneNET物聯網云平臺；同時，ESP8266接收到來自用戶通過云平臺下發的控制指令，并將控制指令轉發至下位機控制器，從而實現電磁等設備的遠程控制。

2.7 電磁閥控制模塊

電磁閥采用12 V的水用常閉電磁閥門，最大水壓為0.7 MPa，一般家用自來水的水壓大致在0.2～0.5 MPa之間，完全可以滿足家庭用戶的要求。該水用電磁閥門使用簡單，只需要將其串聯在家庭供水管道手動總控制閥門之后即可。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括下位機軟件設計和上位機微信小程序設計。下位機系統程序主要包括系統初始化程序和核心引用程序兩大部分。本系統下位機程序采用STM32CubeMX和Keil軟件開發。通過STM32CubeMX圖形化代碼生成工具，完成STM32G070芯片外設的初始化，核心應用代碼采用Keil軟件開發。

3.1 系統初始化

STM32G070芯片初始化包括系統時鐘初始化，以及GPIO、ADC、定時器1、定時器6、定時器7、串口1、串口2等所用到外設的初始化。

3.2 下位機應用設計

下位機核心應用程序主要包括數據采集程序、漏水預警程序、數據顯示程序、數據上傳程序、指令接收程序。采用C語言設計，基于Keil環境開發。

3.2.1 數據采集處理程序

數據采集程序主要實現流量傳感器數據采集和水質數據采集。流量傳感器輸出信號為脈沖信號，通過定時器1的捕獲輸入模式，捕獲外部脈沖并對其計數，可以提高脈沖計數的準確度。

水質TDS數據采集程序流程如圖3所示。采用雙極性方波進行檢測，它是一種周期性方波，具有兩個方向的電平變化，可以提高信號測量的精度和準確性[9]。首先在若干毫秒內，TDSC1輸出100 Hz的脈沖信號，TDSC2輸出低電平，電流方向由TDSC1流向TDSC2。啟動TDS_ADC1和TDS_ADC2進行電壓采樣并轉換，采集電極兩端的電壓。在若干毫秒后，TDSC2輸出100 Hz的脈沖信號，TDSC1輸出低電平，電流方向由TDSC2流向TDSC1。啟動TDS_ADC1和TDS_ADC2進行電壓采樣與轉換，再次采集電極兩端的電壓。對于兩次采樣的電壓求平均值然后計算處理可得到水質TDS值。

3.2.2 漏水預警程序

當有流量通過時，STM32G070的定時器6開始計時，一旦計時時間超過設定的報警時間（此時間根據連續正常使用時間確定，有用戶根據用水習慣設置），則會判斷為漏水現象。系統就會自動關閉進水閥門或者由用戶通過微信小程序遠程關閉電磁閥門，停止家庭供水，從而避免漏水事故的發生。其程序流程如圖4所示。

3.2.3 數據顯示程序

STM32處理器獲得的流量數據、用水總量、水質TDS值、單次用水時長、電磁閥狀態、WiFi狀態等數據均可在LCD屏上顯示，如圖5所示。

3.2.4 數據上傳程序

主控制器獲取的用水數據通過ESP8266上傳至中國移動OneNET物聯網云平臺，其流程如圖6所示。

首先將需要發送的數據按照協議打包，其次在數據上傳前要確定ESP8266接入了OneNET云平臺，然后方可進行數據發送操作。

3.2.5 指令接收程序

指令接收程序主要完成對小程序發送的指令接收及指令解析，其流程如圖7所示。當串口接收到完整的一幀數據，進行指令解析。控制指令主要有兩條：電磁閥開關控制令和手動自動模式切換指令。

3.3 微信小程序

微信小程序相較于一般手機APP具有方便快捷、界面簡潔、節省空間等優勢[10]，因此作為上位機主要實現數據的客戶端顯示和設備的遠程控制。用戶可以根據小程序界面上的手機按鈕和電磁閥開關按鈕進行手動和自動模式切換以及電磁閥門的遠程控制。當用戶按下相應按鈕之后就會觸發相應的函數，在函數內通過HTTP協議對OneNET云平臺下發控制命令，如圖8所示。

4 結 語

本文研究的基于物聯網技術的智能用水監管系統在水資源利用管理和健康飲水方面具有重要意義。該系統通過各種傳感器實時采集水質、水溫、用水總量和漏水等數據，并將數據傳輸至云平臺進行分析，從而幫助用戶及時發現和解決用水問題。同時，該系統還具有遠程控制功能，用戶可以通過微信小程序實現閥門開關控制，輕松避免家庭漏水事故的發生。本文設計的智能用水監管系統不僅具有實用性，而且可擴展性較強，可以推廣到各個領域，如學校、企事業單位和工廠等，以促進可持續的水資源利用和管理。總體來看，本文的研究成果對于家庭用水的安全管理、安全用水和健康用水具有重大意義。

參考文獻

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[10]王文杰，余志鈞，張慈鳳，等.基于用戶體驗的微信應用小程序設計[J].互聯網周刊，2022，25（21）：47-49.

作者簡介：徐夢平（2001—），男，本科在讀，研究方向為自動化。

馬艷彬（1988—），男，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統設計。

馬昊悅（2003—），女，本科在讀，研究方向為計算機科學技術。