多傳感器融合的水質檢測分流控制系統設計

唐自霖，易藝，付金松，熊依玲，曹旺，王運輝

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西桂林 541004）

隨著社會的發展和人們生活水平的提高，洗手盆在家庭、酒店、學校等場所的衛生間使用廣泛。我國是水資源缺乏的國家，在日常生活中，人們應該節約用水，有效地利用水資源。為了達到節約用水的目的，提高對水資源的利用率，可對人們日常生活中洗手后排放水的水質進行檢測后再分流，對水質較好的排放水進行回收再用（如用于沖馬桶、拖地、澆花等），對水質較差的排放水直接排放到生活污水管道。

現有的洗手盆排水器主要有兩種：1）常規的洗手盆排水器，只具有排水功能，一些較干凈的洗手水被白白流掉，無法實現回收再用；2）帶有機械控制開關的洗手盆排水器，可以通過人工操作方式去控制分流開關，實現對洗手盆排放水的分流和回收再用，但由于沒有對洗手盆排放水的水質進行檢測，不能實現對洗手盆排放水進行自動控制分流[1-2]。為了解決上述存在的問題，有效地對洗手盆排放水進行回收再用，設計了一種多傳感器融合的水質檢測和分流控制系統。該系統以nRF52832 作為微控制器，控制濁度傳感器、pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器進行工作，獲取洗手盆排放水的水質參數，然后對這些參數進行分析和處理，根據洗手盆排放水的水質情況，對洗手盆排放水進行分流控制，對水質較好的排放水進行回收再用。

1 系統的組成與原理

多傳感器融合的水質檢測與分流控制系統主要由傳感器檢測單元、微控制器、液晶顯示模塊、按鍵模塊、電磁閥驅動模塊、電磁閥和手機組成，其系統組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統組成框圖

傳感器檢測單元主要由濁度傳感器模塊、pH 傳感器模塊、TDS(總溶解固體)傳感器模塊、溫度傳感器模塊和液位傳感器模塊組成[3-6]。為了實現對洗手盆排放水的水質檢測與分流控制，采用亞克力板材料制作一個容器，用來接收洗手盆排放的水。濁度傳感器安裝在容器的內壁，pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器均安裝在容器的內部，它們都用來檢測容器內洗手盆排放水的水質。液位傳感器安裝在容器的外壁，用來檢測容器內洗手盆排放水的液位信息。電磁閥A 和電磁閥B 安裝在容器的底部，通過PVC 水管和水管接頭與容器底部連接，用來分流洗手盆排放水。

nRF52832 微控制器是水質檢測與分流控制系統的主控中心，負責整個水質檢測與分流控制系統的管理、處理和控制等任務，它主要控制傳感器檢測單元進行工作，獲取容器內排放水的水質參數和液位信息，然后對這些參數和信息進行分析與處理，以實現對容器內的洗手盆排放水進行分流控制。如果排放水的水質較好，微控制器通過電磁閥驅動模塊控制電磁閥A 工作，將容器內的排放水分流給馬桶水箱、水桶或其他容器，用于沖馬桶、拖地、澆花等；如果排放水的水質較差，微控制器通過電磁閥驅動模塊控制電磁閥B 工作，將容器內的排放水分流給下水道，直接排放。用戶可以根據需要通過手機端的應用程序輸入任務指令，一方面獲取容器內洗手盆排放水的水質參數和分流控制信息，另一方面實現對水質檢測分流控制系統參數的設置。

2 系統硬件電路設計

系統的硬件電路設計主要包括微控制器模塊、傳感器檢測單元、電磁閥驅動模塊和電源模塊的電路設計。

2.1 微控制器模塊電路設計

微控制器模塊主要由nRF52832 微控制器、復位電路、晶振電路、液晶顯示模塊和按鍵模塊組成。其硬件設計框圖如圖2 所示。

圖2 微控制器模塊電路框圖

系統的微控制器選用Nordic 公司生產的基于ARM?Cortex?-M4 內核的32 位nRF52832-QFAA 芯片，它的主頻可達64 MHz，片內集成有2.4 GHz 收發器、I2C 接口、SPI 接口、UART 接口、ADC、512 kB 的Flash 和64 kB RAM 等豐富的片上資源[7]，能夠滿足水質檢測與分流控制系統的需求。

液晶顯示模塊采用0.96 寸的OLED 液晶顯示模塊，通過I2C 通信協議與nRF52832 微控制器進行通信。

按鍵模塊采用輕觸按鍵來實現，輕觸按鍵與nRF52832 微控制器的I/O 相連接。

2.2 傳感器檢測單元的硬件設計

傳感器檢測單元的硬件設計主要包括濁度傳感器模塊電路、pH 傳感器模塊電路、TDS 傳感器模塊電路、溫度傳感器模塊電路和液位檢測傳感器模塊電路。

選用TSW-30 濁度傳感器對洗手盆排放水的濁度進行檢測。TSW-30 濁度傳感器利用光學原理，通過溶液的透光率和散射率來測量溶液的濁度。濁度傳感器模塊的電路原理圖如圖3 所示。

圖3 濁度傳感器電路原理圖

TSW-30 傳感器的內部安裝有紅外發射二極管D1 和光敏二極管D2，當光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于水的渾濁程度，水越渾濁，透過的光就越少。用接收端的光敏二極管D2 把透過的光強度轉換為對應的電流大小，透過的光越多，電流越大。濁度傳感器模塊用來將TSW-30 濁度傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，然后送給微控制器的片內A/D 進行電壓采集，把模擬量轉換為數字量，并進行分析與處理，實現洗手盆排放水的濁度檢測。

選用雷磁E-201-C 型pH 傳感器對洗手盆排放水的pH進行檢測。該pH傳感器是由玻璃電極和參比電極組合在一起的復合電極，用于測量水溶液的pH，pH 測量范圍為0～14，溫度測量范圍為5～60 ℃[8]。pH傳感器模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 pH傳感器模塊電路原理圖

在圖4 中，E-201-C 型pH 值傳感器從P1BNC 接口接入pH 傳感器模塊電路。pH 傳感器模塊主要用來放大pH 傳感器輸出的電壓信號，然后送給微控制器的片內A/D 進行電壓采集，把模擬量轉換為數字量，并進行分析與處理，實現對洗手盆排放水的pH檢測。

選用DFROBOT 的SKU SEN0244 型TDS 傳感器模塊和TDS 探頭對洗手盆排放水的溶解性固體總量進行檢測。該TDS 傳感器模塊的TDS 測量范圍為0～1 000 ppm，輸出信號為0～2.3 V 的電壓信號，方便與微控制器的片內A/D 進行連接，把模擬量轉換為數字量，并進行分析與處理，實現對洗手盆排放水溶解性固體總量的檢測。

選用溫度傳感器DS18B20 來測量洗手盆排放水的溫度，實現對洗手盆排放水的水質參數檢測進行溫度補償[9]。溫度傳感器DS18B20 通過單總線通信協議與nRF52832 微控制器進行通信。

選用XKC-Y26A-V 型非接觸式液位感應器來測量洗手盆排放水的液位信息。將液位傳感器安裝在容器的外壁，當容器的洗手盆排放水的液面到達液位傳感器的感應區時，液位傳感器輸出高電平，否則液位傳感器輸出低電平。液位傳感器的輸出端與nRF52832 微控制器的I/O 口相連接。液位傳感器主要用來檢測容器內水的液位是否溢出。

2.3 電磁閥驅動模塊的硬件設計

電磁閥驅動模塊電路主要由光耦芯片EL357N、二極管和場效應管AOD4184 等器件組成。光耦芯片起隔離作用，nRF52832 微控制器通過控制場效應管的導通與斷開來控制電磁閥進行工作，對容器內的洗手盆排放水進行分流。電磁閥驅動模塊的電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電磁閥驅動模塊電路原理圖

圖5 為一個電磁閥驅動電路原理圖，MCU_IOA與微控制器的I/O 口相連接，OUT_A 與電磁閥的控制信號輸入端相連接。

2.4 電源模塊的硬件設計

電源模塊電路主要由穩壓芯片LM7805 和AMS 1117-3.3 組成[10]。電源模塊電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源模塊電路原理圖

圖6 中，12 V 電池從P1接口輸入，12 V 的直流電壓分別送給電磁閥驅動模塊電路和LM7805 穩壓芯片，經過LM7805 穩壓芯片進行電壓轉換后得到+5 V電壓，然后分別送給各個電路模塊和AMS1117-3.3穩壓芯片，從AMS1117-3.3 穩壓芯片輸出的+3.3 V電壓用來給微控制器模塊電路供電。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要由微控制器程序設計和手機端的微信小程序設計組成。

3.1 微控制器程序設計

nRF52832 微控制器的軟件設計采用模塊化設計方法[11]。在Keil uVision5 集成開發環境下，使用C語言來編寫各個模塊的程序，主要包括藍牙通訊程序、ADC 驅動程序和液晶顯示模塊驅動程序等。其主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 手機端的微信小程序開發

手機端的微信小程序通過GAP（通用訪問規范）和GATT（通用屬性規范）協議與nRF52832 微控制器建立藍牙連接，并進行數據傳輸[12-14]。用戶能在手機端的微信小程序上查看洗手盆排放水的水質參數與分流控制信息等各項數據，微信小程序的數據接收界面和應用界面如圖8 所示。

圖8 微信小程序界面圖

4 系統實驗測試

為了驗證水質檢測與分流控制系統，選用亞克力板材料來制作容器，將濁度傳感器安裝在容器的內壁，pH 傳感器、TDS 傳感器和溫度傳感器均安裝在容器的內部，選用洗手后的自來水或自來水與洗手液的混合溶液來模擬洗手盆排放水。使用小米TDS 水質檢測筆和A52 家貝測水筆作為標準儀器，使用濁度標準溶液作為標準溶液，對研制的水質檢測與分流控制系統進行比對測試[15-16]，得到水質檢測與分流控制系統的部分參數測量結果如表1-4 所示。

表1 自來水與洗手液混合溶液測量結果

從表1 的測量結果可知，通過水質檢測與分流控制系統對自來水與洗手液混合溶液進行檢測，水質檢測結果的最大相對誤差為2.93%；從表2 的測量結果可知，通過水質檢測與分流控制系統對自來水與泥土混合溶液進行檢測，水質檢測結果的最大相對誤差為5.17%；從表3 的測量結果可知，通過水質檢測與分流控制系統對人們用自來水洗手得到的溶液進行檢測，水質檢測結果的最大相對誤差為4.76%；從表4 的測量結果可知，通過水質檢測與分流控制系統與濁度標準溶液進行比對測試，所得濁度標準溶液檢測結果的最大相對誤差為7.50%；因此，水質檢測與分流控制系統具有較高的測量精度和準確度。

表2 自來水與泥土混合溶液測量結果

表3 自來水溶液測量結果

表4 濁度標準溶液測量結果

水質檢測與分流控制系統能夠根據洗手盆排放水的水質情況控制電磁閥工作，實現分流控制，對水質較好的洗手盆排放水進行回收再利用，對水質較差的洗手盆排放水直接排放到生活污水管道，達到節約用水的目的。

5 結束語

該文以nRF52832 微控制器作為控制和處理核心，結合傳感器技術、電子技術和無線通信技術，設計了一種多傳感器融合的水質檢測與分流控制系統。文中介紹了水質檢測與分流控制系統的組成原理，硬件電路和軟件設計實現的方法，并對水質檢測與分流控制系統進行實驗測試。實驗結果表明，該水質檢測與分流控制系統能夠較好地對洗手盆排放水的水質進行檢測，實現分流控制，對水質較好的洗手盆排放水進行回收再利用，對水質較差的洗手盆排放水分流到生活污水管道，達到節約用水的目的，為洗手盆排放水的水質檢測與分流控制提供了一種參考。