自動感知水龍頭的設計與實現

吳儀　朱泳瑛　談潘攀

摘要：基于物聯網的自動感應水龍頭系統，利用紅外漫反射原理和超聲波測距原理，由紅外發射與接收電路、超聲波傳感器、控制電路、電磁閥、電源等組成。當人或物體靠近水龍頭時，紅外發射光電管發出的紅外經人和物體反射到紅外接收光電管，接收光電管接收到的反射光信號自動轉換為電信號，控制電磁閥動作打開水源[1]；反之自動關閉水源。通過聲波的傳播距離來衡量水器是否盛滿，如果盛滿則關閉水源，相比傳統手動水龍頭，能夠減少因為生活節奏的加快而造成的水資源浪費現象。為生活提供便利，也滿足人們對高品質和智能化生活的向往。系統整體設計較為簡單實用，主要針對有老人和小孩的家庭，也可適用于商場、學校、辦公大樓等人員密集流動場所。系統的主要功能包括：遠程控制水龍頭、定時關閉、自動感應、自動蓄水，自動提醒、反饋信息等功能。

關鍵詞：自動感應水龍頭；物聯網；智慧城市；節約用水；遠程控制

中圖分類號：TP302.1? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0118-03

1 引言

隨著時代的進步，水龍頭已成為人們日常生活中必不可少的必需品。在公共場所，由于人員流動性比較大，公共設施的衛生情況普遍比較惡劣，傳統水龍頭必須通過人手操作，很容易造成病菌的大規模傳播[2]。

日常生活中人們也會時常會忘記關家里的水電，尤其是水龍頭。又或是匆匆忙忙地離開家水龍頭的旋鈕沒有擰緊，造成水資源的浪費?，F在大多數的家庭不僅僅有忙碌的年輕人，還有健忘的老人和調皮的孩子，老人會因為出門忘記關上水龍頭，小孩會因為好奇或者好玩將水一直放著，甚至被其他的事情吸引不管是否關好了水龍頭就去玩耍，又或是停水后忘記關水龍頭等情況。為了滿足人們對高品質和智能化生活的向往，為了給人們提供便利和節約水資源。因此，研究智能自動感應水龍頭及其應用，有著非常重要的意義。本設計就是基于超聲波和紅外線的智能感知水龍頭。具有智能開關、定時關閉、自動感應、自動蓄水，自動提醒、反饋提醒等功能。

2 系統開發環境

2.1 系統開發環境

本系統使用Android Studio作為App開發軟件，使用Keil為STM32開發板編寫程序。在通信方面使用WiFi模塊，將串口或TTL電平轉為符合WiFi無線網絡通信標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧[3]。將設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。硬件底層采用C語言實現傳感器對數據的接收和監測功能以及平衡調節系統的功能實現，終端使用C#語言完成管理和接口功能，將接收到的數據顯示在手機端應用程序上，并通過寫有接口的開關進行對系統的控制。面向.NetFramework的語言編譯器提供了生成中間語言代碼的機制，這種機制使得不同語言之間相互操作成為可能。而后臺在.NetFarmework 框架的基礎上與數據庫相連。就可以使用MySQL來對用戶數據進行存儲和各方面的操作。

2.1.1 硬件開發環境

開發板：STM32開發板。

傳感器：E3JK紅外線傳感器、HC-SR04超聲波傳感器、DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、TS-300B濁度傳感器。

WIFI模塊：ATK-ESP8266透傳模塊。

其他硬件：電磁閥、電源。

2.1.2 軟件開發環境

操作系統：Windows10。

數據庫：MySQL。

開發語言：C、Java。

開發平臺：Android studio、KEIL。

3 系統設計

3.1 總體功能設計

基于物聯網的自動感應水龍頭系統的主要功能設計便是感應出水、智能蓄水，實時監測水溫的變化及水龍頭所在室內的環境變化情況以及水質的好壞。本系統整體分為五大模塊。

紅外自動感應模塊：利用紅外漫反射原理，當人或物體靠近感應水龍頭時，反射紅外光，光敏元件接收到光信號，從而進行光電轉換，控制電磁閥打開水龍頭，當人手或物體離開感應水龍頭時，接收光電管接收不到反射光信號，驅動電路斷開電磁閥電源，從而關閉水龍頭。

自動蓄水模塊：使用超聲波傳感器，利用超聲波測距原理，當自動感應到水龍頭下方放置的存水容器時，自動感應水龍頭感應出水，容器盛滿水后，水龍頭自動關閉。主要是通過超聲波的傳播長度來測量水是否盛滿容器，進而控制水龍頭的水流。

定時關閉模塊：規定一個閥值，當超時洗滌時，水龍頭自動關閉。

環境監測模塊：采用數字溫度傳感器、濁度傳感器和溫濕度傳感器，監控環境的實時數據變化情況。

用戶提醒模塊：將溫濕度及水質，及盛水容器是否水滿等的信息通過手機App反饋給客戶。

由Stm32單片機作為主要控制開發板，首先利用不同的傳感器采集傳輸數據到Stm32單片機，單片機進行數據處理后，ESP8266模塊通過無線網絡將數據發送到移動設備。WiFi模塊的主要功能是與串口通信，將其轉至WiFi，Stm32單片機將數據進行處理后發送到ESP8266模塊，對單片機來說，僅通信即可，不需知曉此協議；另一個功能是用來充當WiFi 熱點，手機搜索使用ESP8266模塊建的WiFi名稱就能進行連接。具體信息傳輸系統框架圖（如圖1所示）。

3.2 數據庫設計

本系統采用關系型數據庫MySQL，錄入并存儲用戶信息、水溫信息、室內濕度信息、水質濁度等歷史數據，方便前端用戶通過響應的接口從數據庫中調取數據。

用戶表用來存放記錄本系統所有用戶的基本信息，包括id，username，password，同時也含有各種數據的類型及屬性等基礎信息。用戶表（如表1所示）。

data表用來存放本系統中所有傳感器及顯示出來的環境監測數據的信息，包括id，wendu（溫度），shidu（濕度），zhuodu（濁度），同時也含有各種數據的類型及屬性等基礎信息。data表（如表2所示）。

4 系統實現

自動感知水龍頭首先采用了反射式紅外傳感器。紅外線的發射和接收一般使用紅外發光二極管和紅外接收管來完成。當有物體靠近時，一部分紅外光被反射到接收管。紅外線控制自動水龍頭的控制過程是：當人或物體靠近自動水龍頭時，紅外發射光電管發出的紅外經人和物體反射到紅外接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號自動轉換為電信號，經過后續電路進一步放大、整形、譯碼，最后驅動電路控制電磁閥動作打開水源[4]。當人手或物體離開自動水龍頭時，接收光電管接收不到反射光信號，驅動電路斷開電磁閥電源，從而關閉水源。

本水龍頭采用了超聲波測距原理，發射器發出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離[5]。即通過聲波的傳播距離來衡量水是否盛滿容器，進而控制水龍頭的水流。再加之水溫實時監測功能，環境實時監測功能，水質渾濁程度檢測功能等分析確定了系統的架構。

4.1 水龍頭自動感應

使用紅外線傳感器控制電磁閥從而控制水龍頭的打開和關閉，當手或物體放在紅外線傳感器附近時，電磁閥打開，當手或物體離開時，電磁閥關閉。以下為自動感應實現圖（如圖2所示）。

4.2 水龍頭自動蓄水

使用超聲波測距原理，利用超聲波傳感器，設定距離為10厘米，當容器放在水龍頭下方時，水龍頭自動出水，容器內水面距離水龍頭10厘米時，水龍頭會自動關閉。

4.3 水滿智能提醒

根據需求設計水滿智能提醒功能，使用WiFi模塊進行串口通信，將數據發送給手機App。當感應水龍頭下的容器盛滿水時，感應水龍頭自動關閉并提醒用戶水已盛滿。App中水滿智能提醒如圖3所示。

4.4 定時關閉

定時關閉功能，設置一個時間閥值，若超時洗滌，感應水龍頭將自動關水。圖4為App中超時關閉圖。

4.5 環境實時監測

環境監測功能，用來顯示串口信息，可以查看部分實時環境監測到的數據，在數據顯示的時候同時也將數據存入數據庫中進行保存?？梢愿鶕煌竟澰O置閥值，來控制不同條件的正常范圍?？梢栽诖丝刂撇糠汁h境監測功能硬件的開關，調節系統環境使其達到平衡穩定狀態。以下為App中濕度顯示測圖（如圖5所示）。

4.6 水質濁度檢測

水質濁度檢測功能，使用濁度傳感器測量水的渾濁程度，可以在此看到自動感應水龍頭流出自來水的水質渾濁程度。水質濁度檢測圖（如圖6所示）。

5 總結

自動感知水龍頭是為了解決老人小孩及上班族忘記關閉水龍頭而造成巨大的浪費來設計的一款水龍頭，已經基本完成了水龍頭的溫濕度檢測、濁度檢測、定時關閉，自動蓄水，水滿提醒等功能，是一款軟硬件結合的設計產品，但是由于開發能力有限，對于系統的封裝及遠程控制水龍頭的開關還沒有實現，水質檢測過于簡單，很多功能有待進一步的研究和開發。

參考文獻：

[1] 長沙魯維湘機電科技有限公司.一種感應水龍頭：中國，201711146231.3[P].2017-11-15 [2019-05-24].

[2] 哈爾濱網騰科技開發有限公司.一種紅外傳感技術：中國，201210529246.9[P]. 2012-12-08.

[3] 酈麗華.淺談如何引導學生剖析電路[J].素質教育論壇（上半月），2010，3969（10）：1002-7661.

[4] 程爽.四輪機器人的設計及其編隊研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[5] 呼延俊希，盛旺，王文杰，等.基于超聲測速技術的數字大氣環境因素測量儀[J].電子科技，2011，24（10）：42-47.

【通聯編輯：梁書】