基于Zigbee的智能節水器系統設計

曹行 張立增 尹輝娟

【摘要】 針對學生公共水房刷卡接水，取卡停水時往往有水溢出的情況，提出了以基于HX711的重力傳感器以及Zigbee模塊為核心器件的自動節水方案。將重力感應器與Zigbee模塊協調器連接，Zigbee終端模塊與繼電器相連。當物體重量達到一定數值后，Zigbee協調器模塊與Zigbee終端進行通信，從而控制繼電器的閉合和斷開。

【關鍵字】 重力傳感器 Zigbee模塊 節水

Abstract：When fetch water， students may encounter an annoying situation that the water supply cannot correctly shut off even after the removal the card. To address this issue， we propose an automatic water saving scheme. The core component are gravity sensor based on HX711， and Zigbee module. Connected the gravity sensor with Zigbee coordinator module， and Zigbee moduler with relays， when the weight of the object reaches a certain value， the Zigbee coordinator module will communicate with Zigbee terminal， enabling the control of the relays closing and opening.

Key words：gravity sensor Zigbee module display module Save water

一、引言

目前在眾多學校、單位等公共水房都采用刷卡接水的模式，并且沒有傳統的水龍頭控制，這就造成了取卡不及時而浪費水資源的情況。日積月累浪費水的數量是巨大的，對此，我們利用重力傳感器、Zigbee模塊做出了一套可以自動停水的裝置，達到了節水的目的。

二、總體設計方案

本系統由兩大部分組成：重力傳感器模塊、Zigbee模塊。重力傳感器模塊負責檢測重量，Zigbee模塊負責判斷重量是否達到設定值、通信以及控制繼電器的開關。

將水壺放在重力傳感器的底座上，當刷卡時重力傳感器的數值初始化，出水后水壺的重量會增加，重量達到設定值后，Zigbee協調器模塊與Zigbee終端進行通信，Zigbee終端接到信號后會及時關閉水龍頭，達到了節水的目的。

系統結構框圖如圖1所示。

三、硬件設計

3.1 基于CC2530的Zigbee模塊

在水房中會有許多接水處，如果采用CC1101無線收發模塊等進行通信，各節水裝置之間必會產生干擾。為了解決干擾問題，本設計采用了基于CC2530的Zigbee的模塊。TI公司的推出的CC2530是第二代的Zigbee 收發器，主要用于2.4 GHz的ISM頻段（具有16個不同的信道）[1]。其集成了1個高性能的RF收發器和1個優化的低功耗的8051微控制器內核。正常工作需要的電壓：2-3.6V，典型輸入數值為3.3V。主要包含：電源接口、ADC接口、RS232接口、仿真接口、天線接口、擴展接口。

Zigbee協調器模塊與重力傳感器模塊連接圖如圖2所示。

3.2 重力傳感器模塊

本裝置采用基于HX711的重力傳感器，HX711A/D轉換模塊集成了：穩壓電源、片內時鐘振蕩器等外圍電路，模塊采用21位高精度的A/D轉換器芯片HX711，具有兩路輸入模擬通道，內部集成128倍增益可編程放大器[2]。輸入電路可配置為提供橋壓的電橋式（如壓力、稱重）傳感器模式，具有集成度好、響應快、抗外界干擾強等優點。所以其是一款理想的精度高、價格低的前端采樣模塊。

3.3 繼電器電路

繼電器由控制電路、驅動電路和被控電路構成，控制電路由器件三極管和發光二極管D1組成；驅動電路由光電晶體管D2和整流器JK組成。當給控制電路兩端加上電壓后，會有電流流過發光二極管D1，二極管發出光線；驅動電路中的光電二極管D2吸收到控制電路中發光二極管發出的光線，產生很大的電流，從而觸發整流器給負載電路產生強大的電流。當控制電路兩端沒有電壓時，發光二極管沒法給驅動電路中的光電晶體管發送光線，所以整流器沒法產生電流，沒法驅動負載[3]。

本裝置采用了高電平觸發方式，當繼電器的IN端口輸入為高電平時，繼電器才會跳變。IN端口與Zigbee終端模塊的P0_6 I/O口相連，同時給繼電器提供5V電源供電。

四、軟件設計

（1）首先對Zigbee進行初始化，通過程序配置兩個Zigbee模塊分別為協調器模塊和終端模塊，并設定Zigbee模塊間的信道。

（2）初始化重力傳感器模塊，在程序中設定臨界的重量值。

（3）重力傳感器采集數據并傳給Zigbee協調器，當數值大于設定值時執行通信函數。

（4）Zigbee終端模塊判斷是否收到協調器指令，判斷收到指令后來控制繼電器的關閉。

軟件流程圖如圖3所示。

五、測試與結果

根據智能節水器電路設計出如圖4所示的實物圖

測試步驟如下：

（1）通過程序設定臨界重量為5g。

（2）給Zigbee模塊模塊上電。

（3）將重力傳感器模塊、Zigbee模塊初始化。

（4）第一次在重力傳感器上放1g砝碼，此時兩個Zigbee模塊沒有通信。

（5）第二次在重力傳感器上放5g砝碼，此時兩個Zigbee模塊開始通信。

經測試智能節水器反應靈敏，可以及時控制水龍頭，從而達到節水的目的，體現了節能減排的理念。

六、結論

此系統達到了自動節水的目的，能有效的節約水資源，智能節水器有以下創新點：

智能節水器采用了Zigbee的通信方式，Zigbee具有低能耗、自組織、低復雜度的特點，且由于信道的劃分，避免了各個節水器之間的信號干擾。

此系統結構簡單，易安裝，具有了很好的推廣性。

后期養護簡便，維護要求低。

參 考 文 獻

[1] 劉欣茹.Zigbee無線窗控系統的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2014：5-6.

[2] 王小娟.基于HX711數顯稱重儀的設計[J].武漢船舶職業技術學院學報，2015，01：36-38.

[3] 聶川，秦會斌.基于ZigBee的電風扇一繼電器控制[J].電子與封裝，2015，09：44-47.