智能防漏水系統設計

梁昕, 張晨

(南京機電職業技術學院 電子工程系, 江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著信息技術的快速發展，人們生活水平的不斷提高，越來越多智能家居設備進入到千家萬戶。智能家居系統利用計算機技術、網絡技術、智能云臺控制技術等將家居安全、安防系統、燈光窗簾、信息家電等有機地結合在一起，實現“以人為本”的全新家庭生活的體驗[1]。在家庭安全防范中，水災不容忽視，家居漏水的情況時有發生，如水管破損爆裂、停水后忘關水龍頭等。不僅使家庭財產遭受損失，還浪費了大量水資源，因而智能防漏水系統是家居安全中最基本和不可或缺的部分[2]。

1 系統設計

本文設計了一種智能防漏水系統，可以監測統計家庭用水情況。系統開機后，可控制水閥開關。閥門打開狀態時，當水流量大于設定最低閥值，即判斷開始單次用水，計流量和使用時間。本系統報警的流量控制與用水時長均為單次用水時間，即水閥關閉后，單次統計就清零。單次用水每分鐘的流量值和單次用水時間可根據家庭用水情況進行設置，如家中人數有變動也不影響報警水流量，或長時間少量漏水時，單次用水時間就達到單次用水報警時間的閾值，同樣觸發報警信號。長時間出門可將單次用水量和用水時間調小，當出現超水量、超時間時，認為出現異常漏水情況，系統立即關閉閥門，斷水，界面顯示對應報警圖標，蜂鳴器報警，并通過微信小程序發送消息給房主。此系統可有效地控制漏水給家庭帶來的損失。

智能防漏水系統由以下幾部分構成,如圖1所示。

圖1 系統框圖

MCU主控模塊、傳感器檢測模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊、驅動開關電機及電源模塊。通過霍爾流量傳感器檢測水流量，將檢測到的脈沖信號傳輸給MCU主控模塊[3]，主控模塊根據設定的單次用水量和用水時間判斷是否漏水。如當前用水量及用水時間小于設定值，認為正常用水狀態，LCD觸摸屏上顯示用水量和用水時間。如果超過正常用水，為漏水狀態，則MCU主控板驅動電機，關閉水閥閥門，同時蜂鳴器報警，無線發送報警模塊通過WiFi給房主微信小程序發送消息，提示家中漏水，水閥已關閉。單位時間用水量和用水時間可在LCD觸摸屏上面設置。

2 智能防漏水分模塊設計

2.1 MCU主控模塊

MCU主控模塊是整個系統的核心，本系統選用意法半導體ST公司出品的STM32F103ZET6微控制器作為主控芯片，STM32是32位的ARM微控制器，STM32F103ZET6是屬于增強型系列，具有低功耗、低電壓操作特點，在同類產品中性能最高，頻率時鐘達到72MHz，有144個引腳，程序存儲容量是512KB，有WIRELESS 模塊接口，支持無線通信[4]。系統通過它來接收傳感器檢測到的水流量信號，判斷發送報警信號，通過WiFi發送無線數據，與觸摸顯示屏實現人機交互，控制電機操作水閥開關等，構成完整的智能防漏水系統。STM32微控制與其他模塊的接口電路,如圖2所示。

圖2 MCU主控模塊

2.2 傳感器檢測模塊

系統的水流量檢測模塊由銅閥體、水流轉子組件、穩流組件和霍爾流量傳感器組成。其裝在家庭用水的進水端，用于檢測用水流量和用水時間。當水流通過水流轉子組件時，磁性轉子隨著水流量的大小以不同的轉速轉動，切割磁場，霍爾傳感器感應輸出脈沖信號，發送給控制MCU，控制器實現水流量和時長的計量，根據計量結果判斷為正常用水還是漏水。霍爾流量傳感器反應靈敏，計量準確，使用壽命長，工作可靠，性價比高，適用于家庭智能家居的使用?；魻杺鞲衅鳈z測模塊,如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器檢測電路

2.3 LCD觸摸屏模塊

LCD觸摸屏是人機交互的界面，用于顯示與設定用水信息及其他功能，本系統選用顯尚光電的DST2001PH2.8英寸的TFTLCD。LCD界面顯示實時用水量(單位為L/min)和當前用水時間。設定漏水閾值的用水量，水流量可設定范圍2-45 L/min，最小流量為2 L/min，低于此流量傳感器無輸出。單次用水時間可設定為1-500 min。LCD觸摸屏上有報警狀態欄，顯示超水量、超時時長、漏水報警，及消除報警按鈕?？梢赃x擇觸摸屏的閥門開關鍵，手動控制水閥的開關。

2.4 無線發射報警模塊

當MCU主控模塊接收到傳感器的信號后，對信號進行處理與判斷，把結果經無線發射報警模塊發送出去，其中RF無線發射器采用NRF2401芯片實現。NRF2401單片射頻收發，工作于2.4-2.5 GHz ISM頻段，適用于WiFi等多種無線通信場合，支持低功耗工作模式，節能，設計方便[5]。無線模塊電路設計如圖4所示。

圖4 無線模塊電路

出現漏水狀況時，無線發射報警模塊通過WiFi發送漏水信息到用戶的手機微信小程序，并把當前用水量，用水時長以及閥門已關閉的信息告知用戶。

2.5 驅動減速電機模塊

智能漏水保護系統對水閥的控制最終是由減速電機馬達開關閥門實現的。系統選用90度限位，支持正反轉的減速電機。驅動電路如圖5所示。

圖5 電機模塊電路

安裝漏水保護系統后，可通過按鍵驅動電機打開閥門，便能正常用水。當出現漏水，或需要關閉閥門時，電機反轉，關閉水閥。

電動閥門減速電機控制精度高、穩定性好、性價比高，有利于系統長期有效的運行。

3 總結

本文設計的智能防漏水系統，內置5 V鋰電池，在斷電的情況下，依舊能保證系統正常工作，可實時監測家庭用水情況。如設置單次用水報警流量為10 L，單次用水報警時長設置為5分鐘，時長當單次用水量超過10 L或者單次用水時長超過5分鐘時，認為是持續漏水事件，則系統立即關閉水閥，并上報消息到個人手機微信。智能防漏水系統可保護家庭用水安全，及時止損。本系統擁有無線通信模塊，能將用水信息通過WiFi發送到手機端的微信小程序，使用方便，順應時代的發展潮流，進一步滿足人們對智能家居系統的要求。