智能補水系統的設計

陳 震

（泰州職業技術學院，江蘇 泰州）

引言

目前，市場上熱水采暖系統和中央空調系統大部分采用水為媒介進行換熱，為了保證系統冷熱交換穩定正常，空調水系統必須保持有一定的系統循環壓力，因此熱水采暖系統和中央空調系統通常需要安裝自動補水裝置，從而保證水系統內不倒空、不汽化、不超壓。系統通常采用自動補水閥進行定壓補水[1-2]，當系統壓力低于設定壓力時閥門自動打開補水，達到設定壓力時自動關閉閥門停止補水。但當密閉水系統出現漏水點后，為了維持水壓，補水閥會一直打開閥門補水，造成水資源的浪費。若是在寒冷的天氣下，漏水處會受凍結冰，導致管道爆裂，自動補水閥出水端壓力變小，導致補水裝置只能不斷補水，造成水資源的浪費，甚至財產的重大損失。

為了解決自動補水閥不能判斷漏水的問題，本文提出了一種基于機智云的智能補水系統的設計[3-5]。補水系統通過流量傳感器檢測密閉水系統的補水量，根據補水量判斷水系統是否發生泄漏，同時通過Wi-Fi與機智云平臺連接，將補水量等相關信息發送到云平臺，通過云平臺或手機APP 可以實時觀察補水量以及補水閥的開關信息，同時可以手動切換補水閥開關。

1 機智云平臺

機智云平臺是機智云物聯網公司面向個人、企業開發者推出的一站式智能硬件開發及云服務平臺。平臺提供了從定義產品、設備端開發調試、應用開發、產測、云端開發、運營管理、數據服務等覆蓋智能硬件接入到運營管理全生命周期服務的能力。

平臺主要包括技術中臺、業務中臺、數據中臺三部分。技術中臺負責管理技術方面問題，實現用戶到云平臺的數據處理；業務平臺負責物聯網平臺與用戶之間的業務處理，以保證物聯網行業可以緊跟時代的高速發展和解決用戶日益增長的業務問題；數據平臺負責將數據集中化處理，并保存在系統云端，可以方便用戶在云端找到所需要的主題系統。

2 系統硬件設計

系統硬件結構框圖見圖1。主要由主控制器、無線通信模塊、水流量傳感器模塊、繼電器控制模塊等組成。整個系統以STC8F2K16S2 單片機為核心，水流量傳感器YF-S201 實現對補水量的采集和電磁閥的開關，Wi-Fi 無線通信模塊ESP-01S 通過串口將主控制器與機智云平臺連接，實現數據的上傳及命令的下發。

圖1 硬件結構框圖

2.1 主控制器

本系統采用STC8F2K16S2 單片機作為主控制器芯片。STC8F2K16S2 是宏晶科技的一款基于51 內核的單片機，指令完全兼容傳統5051，是單時鐘/機器周期 (1T) 的單片機，比傳統的8051 系列要快11.2～13.2 倍，其片內具有16K 程序存儲器。

2.2 無線通信模塊

ESP-01S 是由安信可開發的WiFi 模塊，該模塊核心處理器ESP8266 芯片是高性能無線SoC，以最低成本提供最大實用性，高度集成天線開關、射頻巴倫、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器等射頻模塊，同時芯片內置了業界領先的Tensilica L106 超低功耗32 位微型MCU，帶有16 位精簡模式，主頻支持80 MHz 和160 MHz，支持實時操作系統（RTOS）和Wi-Fi 協議棧，可將高達80%的處理能力應用于編程和開發。

ESP-01S 模塊支持標準的無線802.11b/g/n 標準，完整的TCP/IP 協議棧。用戶可以使用該模塊為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

ESP-01S 可以作為獨立WiFi MCU 運行，用戶通過基于RTOS 的SDK 開發帶WiFi 連接功能的產品。也可以通過SPI/SDIO 接口或UART 接口即可作為WiFi 適配器，應用到基于任何微控制器設計中。

ESP-01S 模組共接出8 個管腳，管腳功能定義見表1。

表1 管腳功能定義

本設計中將ESP-01S 模塊通過串口與主控制器STC8F2K16S2 連接，通過其內置的固件為主控制器提供Wi-Fi 連接功能。具體電路見圖2。

圖2 ESP-01S 接口電路

2.3 水流量傳感器模塊

根據實際應用場合和控制的需要，選用基于霍爾元件的水流量傳感器模塊YF-S201。水流量傳感器主要由閥體、水流轉子組件、霍爾傳感器和電磁閥組成。當水通過水流轉子組件時，帶動磁性轉子轉動，產生不同磁極的旋轉磁場，霍爾傳感器產生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉子的轉速成正比，轉子的轉速又與水流量成正比，因此，可通過檢測脈沖信號的個數來判斷水流量的多少。

YF-S201 工作電壓范圍寬，直流5～18 V 供電，DC5 V 時，最大工作電流15 mA，耐水壓≤1.75 MPa，流量脈沖頻率與水量的關系見公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F 是流量脈沖頻率，單位Hz；Q 是水流量，單位L/min。

YF-S201 將電磁閥和流量傳感器一體化，降低了設備的安裝難度，使用方便。YF-S201 有2 個接口，流量傳感器接線方式采用三線制，紅線是電源線，接電源正極，黃線是脈沖信號輸出線，黑線地線，接電源負極。電磁閥接線采用兩線制，接12 V 的線圈控制電壓。

YF-S201 模塊中流量傳感器的信號采集電路見圖3，流量傳感器的工作電壓5 V，輸出脈沖信號的幅值是5 V，而主控制器STC8F2K16S2 是3.3 V 供電，兩者的IO 電平不匹配，因此通過一個簡單的分壓電路將脈沖的幅度轉換成3 V 送給主控制器的外部中斷INT0。

圖3 YF-S201 信號采集電路

2.4 繼電器控制模塊

YF-S201 模塊中電磁閥是通過直流12 V 控制的，因此主控制器不能直接控制電磁閥，必須通過繼電器模塊來控制電磁閥的開關。電路見圖4。其中主控制器和繼電器模塊之間通過光耦進行隔離。

圖4 繼電器驅動電路

2.5 電源模塊

根據前面模塊電路的設計，系統需要12 V、5 V和3.3 V 三種電源。系統選用固定輸出電壓3.3 V 和5 V 的AMS1117 來實現供電。見圖5。12 V 電壓由開關電源提供，其中一路用來控制電磁閥，一路通過AMS1117-5 V 將12 V 轉換為5 V 穩定電壓。5 V 電壓除了給流量傳感器供電和控制繼電器以外，還通過AMS1117-3.3 V 將5 V 轉換為3.3 V 穩定電壓。因為Wi-Fi 模塊要求外部供電電源輸出電流建議在500 mA 以上，為了保證系統工作的可靠性，因此通過2 片AMS1117-3.3 V 將5 V 轉換為2 路獨立的3.3 V 穩定電壓，其中一路單獨給Wi-Fi 模塊供電，另一路給主控器和其它器件供電。

圖5 系統電源電路

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要分為上位機和下位機兩部分，見圖6。下位機軟件是指單片機模塊的程序設計，通過傳感器記錄水流量和電磁閥的狀態，并將數據傳送到云端。上位機軟件是指手機端的移動APP，通過APP 可以實時查看下位機上傳的數據，并可以云端對下位機進行控制。兩者通過機智云平臺進行數據信息的交換。

圖6 系統軟件結構

3.1 云端數據點設置

在機智云平臺進入個人賬戶后，創建新產品，名稱設置為“智能水閥”。根據水閥控制的需求，定義了3個數據點，見表2。

表2 數據點定義

其中，數據點onoff 用于顯示電磁閥的開關狀態，同時為了能夠通過移動APP 控制的電磁閥的開關，因此將數據點的標識名設置為onoff，讀寫類型設置為可寫，數據類型設置為布爾值。數據點水流量用于顯示系統的補水量，將數據點的標識名設置為flow，讀寫類型設置為只讀，數據類型設置為數值。數據點報警用于補水量超過閾值時報警，將數據點的標識名設置為alarm，讀寫類型設置為報警，數據類型設置為布爾值。

3.2 單片機程序設計

數據點設置好后，進入MCU 開發頁面，機智云會根據定義的數據點自動生成整個MCU 工程代碼。自動生成的代碼已經根據用戶定義的產品數據點信息，生成了對應的機智云串口協議層代碼。工程代碼需要用戶開發的有三部分，一是配置處理，用于設備配置入網及恢復出廠設置；二是下行處理，用于移動APP控制電磁閥的開關；三是上行處理，用于補水量和電磁閥開關狀態的獲取。

在WiFi 模塊使用前，需要將其配置入網。在程序中通過按鍵使WiFi 模塊進入AirLink 配網模式。下行處理只需在gizwitsEventProcess()函數中處理相應事件即可。上行處理在userHandle()函數中實現即可，用于補水量和電磁閥開關狀態的獲取。

水流量傳感器輸出的脈沖信號作為外部中斷信號送入單片機，每10 s 計算一次水流量并累加，若10 s內水流量或累計水流量超過規定的閾值，則自動關閉電磁閥停止補水。流程見圖7。

圖7 上行下行處理流程

3.3 手機APP 設計

機智云平臺根據我們定義的產品數據點，自動生成App 源碼，可直接編譯打包成App 安裝包，安裝后便可運行控制設備。也可以在源碼的基礎上進行二次開發。

4 系統測試

打開移動APP，登錄后進入我的設備頁面，選擇所要連接的WiFi 網絡，并輸入密碼，進入AirLink 配網模式后，設備自動進行配置。配置完成后（見圖8），此時，真實設備文字圖標顏色變成黃色，說明設備已經聯網，和機智云平臺已經通訊成功。

圖8 設備入網配置成功頁面

點擊真實設備，進入智能水閥控制頁面，見圖9，此時可以看到水流量為0，電磁閥處于打開狀態。

圖9 智能水閥正常工作頁面

水流量傳感器將流量信息傳送單片機后，頁面可以實時顯示水流量，當超出閾值時，可以看到電磁閥處于關閉狀態，同時彈出消息框提示報警信息，見圖10。

圖10 智能水閥報警頁面

5 結論

本文通過水流量傳感器檢測密閉水系統的補水量，根據補水量的多少自動對補水閥通斷，同時基于機智云平臺實現對密閉水系統補水的遠程實時監測和控制。根據此方法構建了系統的軟硬件，通過系統調試，驗證了該系統能對密閉水系統的補水情況進行有效監測和控制。