基于物聯網的智能雨水收集再利用系統

朱 娜，陳 偉，郭容慧，王志鵬，楊 涵，王素芹

（江蘇海洋大學理學院，連云港 222005）

0 引言

地球是個藍色星球，水資源豐富，但是適用于人類生存的但水資源卻很缺乏，就像中國是個嚴重缺水的國家，而雨水資源很豐富，所以充分利用雨水資源有助于緩解我們缺水的情況，與水資源的重復利用在我國的中西部地區早有先例，但是存在操作繁瑣利用率不高的問題。

現如今的社會是智能化的社會，所以本文從雨水收集重復利用和智能化出發，設計了基于物聯網的智能雨水收集再利用系統，目的在于提高雨水利用效率，緩解水資源緊張的問題。

1 系統方案選擇

1.1 設計構想

利用STC15F2K60S2作為本系統的硬件核心控制芯片，通過環境數據采集傳感器采集數據，并將數據傳送給單片機，單片機通過無線網模塊將數據傳送到云端服務器，云端服務器通過自帶的算法數據處理包將數據轉換成環境變化走勢圖存儲在服務器內，且在下雨時，系統可以通過屋頂的導流管收集雨水，并將收集來的雨水經過多次過濾后存儲在地下的水池內，當用戶花園的土壤濕度低于植物生長的最低值時，單片機控制水泵工作給花園灌溉，直至土壤濕度符合植物生長需求。且用戶可以通過手機的APP、Web和微信小程序訪問服務器，查看系統的工作狀況和實時數據。

1.2 硬件選擇

選用STC15F2K60S2單片機作為核心控制芯片，采用MQ-2氣敏煙霧傳感器、XZ2-BZY-60遠紅外火焰傳感器、GY-39四合一氣象站模塊和土壤濕度傳感器采集環境數據，通過單片機控制水泵對花園進行灌溉，利用ESP8266模塊將環境數據和系統工作狀態傳送到云端服務器，方面用戶進行隨時查看了解系統信息。

STC15F2K60S2單片機通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環境中可燃氣體濃度，并且將濃度傳送到云端服務器，形成可燃氣體濃度趨勢走向圖，通過XZ2-BZY-60遠紅外火焰傳感器判斷環境中是否有明火，降低火災發生概率。單片機通過GY-39四合一氣象站模塊實時采集環境的溫濕度、光強和大氣壓強數據。通過土壤濕度傳感器采集植物生長環境的土壤濕度數據，并且進行監控。

反復獲取上述數據進行實時傳輸，單片機內置算法可依據這這些實時數據對系統目前的狀態進行判斷和操作，并且和系統程序設定的危險值進行比對，如果超過設定值，及時報警。

2 智能雨水收集系統的設計

2.1 系統的總體設計

如圖1所示，整個智能雨水收集再利用系統由核心控制芯片STC15F2K60S2和環境監測模塊、自動灌溉模塊、通知顯示模塊和云服務器組成。

圖1 系統整體設計圖

2.2 系統的程序流程設計

如圖2所示，整個系統可以全天候工作，在初次使用系統時進行初始化操作化后，就會一直處于正常采集數據和判斷是否需要灌溉的工作狀態，并且不斷將數據傳輸到服務器。實現系統的智能化和可操作化。

3 系統功能

3.1 環境監測功能

通過GY-39四合一氣象站模塊實時采集系統環境的大氣壓、溫度、濕度和光強數據，該模塊由MAX44009、BME280和MCU高度集合在一塊PCB板上。MAX44009內置光電二極管和ADC，光照強度的變化引起電流的變化，得以實時采集光強數據。BME280則是一款集溫濕度和壓強數據采集為一體的芯片，MAX44009和BME280所采集的數據由該模塊內置的MCU存儲收集，然后通過串口將數據傳輸給STC15F2K60S2單片機，并在系統的顯示屏幕上顯示出來。通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環境中可燃氣體濃度加上XZ2-BZY-60遠紅外火焰傳感器判斷環境中是否有明火，如果有及時發送報警信息。

圖2 系統程序流程設計圖

且可以將上述數據傳輸到云端服務器形成環境數據變化圖，用戶可以通過APP端、Web端和微信小程序訪問查看。

3.2 自動灌溉功能

主控芯片通過埋在花園土壤里的土壤濕度傳感器采集土壤濕度數據，再根據用戶設定的植物生長所需最低的濕度數據，兩者進行比對，當采集來的數據低于設定值時，單片機給繼電器發送指令，繼電器處于高電平，水泵通電開始工作，給植物噴灑水，直到土壤濕度超過設定值，單片機給繼電器發送指令，高電平轉為低電平，水泵斷電停止工作。當出現火災預警時，單片機能利用水泵泵出水池中的水進行噴水滅火操作。

3.3 通知顯示功能

GY-39四合一氣象站模塊所采集的光強、壓強、溫度和濕度數據可以實時顯示在系統的液晶顯示屏上，便于用戶及時查看。而且當用戶不在家中時，用戶也可以直接通過手機查看上述數據和水泵的工作狀態。當煙霧傳感器檢測到可燃氣體濃度高于危險值且火焰傳感器檢測到明火時，會及時通過報警信息告知用戶。

4 改進與提升

本文設計的智能雨水收集再利用系統雖然達到了我們的設計目的，但是還存在以下的問題。一是本系統所收集的雨水因為只是經過了初步過濾，所以只適用于灌溉，還不能用于生活用水，所以我們下一步的改進方向之一就是提高雨水凈化程度。二是儲水池為了不影響景觀，所以本系統選擇將水池放置在地下，這就造成用戶初期通入的水池成本較大，不利于推廣。