基于ESP32液位自動檢測與泵入控制系統

摘 要：當前，貴州省內眾多鄉村的飲水工程普遍采用將飲用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式。在這一過程中，蓄水池泵入水量過多導致溢出、泵入水量過少導致飲用水供給不足的問題頻發，給村民的生活帶來不便的同時，還造成水和電力資源的嚴重浪費。針對此問題，研發了一套基于物聯網技術的智能監控與自動化控制系統。該系統由水位監測與控制節點、LoRa網關節點以及應用服務監控系統三個核心部分構成，能夠提升鄉村飲水工程的運行管理效率，減少人工操作成本，有效預防因蓄水不足或過多所造成的缺水風險和資源浪費，對提升鄉村飲水安全水平和水資源管理效能具有重要的實踐意義。

關鍵詞：ESP32；液位檢測；泵入控制；LoRa；數據存儲；遠程監控

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

鄉村飲水安全是關乎群眾生活的重大民生議題。當前，貴州省內眾多鄉村的飲水工程普遍采用將飲用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式。但蓄水池在使用過程中，其泵入水量的多少需要專人進行管理與控制。為了避免因水位過低導致飲用水供給不足，或水位過高導致溢出，造成水和電力資源浪費的問題，需要實時監測水池中的水位，實現智能泵入和液位控制[1]。因此，本文提出并設計了一套以ESP32主控芯片為核心，結合液位檢測傳感器、繼電器和其他外設的智能泵入和液位控制系統。

1 功能需求

本文設計的系統覆蓋了物聯網感知控制層、網絡傳輸層到應用服務層的軟硬件設計。在感知控制層，需要實現液位自動檢測、水泵根據液位變化自動啟停的功能；在網絡傳輸層，需要實現液位檢測數據和控制指令的可靠傳輸；在應用服務層，需要利用配套的手機APP實現雙向通信并控制感知層的水泵和自動檢測設備。本文進一步引入遠程監控技術，構建了一個供水系統實時監控系統，使得監控人員只需在中控室，便能動態掌握區域水資源的變化及利用情況，了解各個區域水池的液位狀態和水泵工作狀態。此外，當供水系統發生故障時，監控人員可以依據顯示的數據進行故障分析，最大限度提高供水系統工作效率[2]。

2 系統設計方案

系統包括水位監測與控制節點、LoRa網關節點、應用服務監控系統三個部分，如圖1所示。

水位監測與控制節點：主要由電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器及水泵組成。其中，電阻傳感器負責實時監測水位變化，并將數據傳送給ESP32主控芯片。該節點利用LoRa無線通信技術將采集到的液位數據以及設備狀態信息發送給LoRa網關[3-4]。同時，ESP32主控芯片根據預設的閾值控制繼電器開關，從而自動調節水泵的工作狀態，實現液位的實時自動檢測和水泵的自動控制。

LoRa網關節點：由于鄉村地區的網絡覆蓋可能存在局限性，所以選用LoRa低功耗廣域網技術進行數據傳輸[5-6]。水位監測與控制節點利用LoRa無線通信技術將采集到的液位數據以及設備狀態信息發送給LoRa網關，同時接收來自網關的控制指令，確保數據傳輸的穩定性和可靠性。

應用服務監控系統：主要包括云服務器端和手機APP客戶端兩部分。云服務器端負責接收、存儲、處理并通過LoRa網關下發控制指令；手機APP則為用戶提供友好的操作界面，用戶可以隨時隨地查看水池實時液位數據、歷史數據記錄，并根據實際情況遠程操控水泵啟停，實現對整個系統的雙向通信和遠程監控。

2.1 水位監測與控制節點

水位監測與控制節點是整個系統的核心部分。在硬件設計方面，水位監測與控制節點主要由電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器、水泵、LoRa無線通信模塊、電源等組成，其硬件設計架構如圖2所示。

水位監測與控制節點的驅動程序流程如圖3所示。該節點的具體工作流程如下：

（1）液位監測：電阻傳感器被部署于高位蓄水池內，它能夠持續測量水位的高度，并將這些精確的液位數據轉化為電信號。

（2）數據處理與控制決策：ESP32主控芯片獲取到液位信號后，對這些信號進行解析和處理，將其轉換成可識別的液位信息。基于液位信息，ESP32會發出相應的信號驅動繼電器閉合，或通過控制水泵的開關來開啟或關閉水泵[7]。根據預先在ESP32中設定的高低水位閾值，當檢測到水位低于低位閾值時，ESP32會發出指令，驅動繼電器閉合，啟動水泵開始注水；當水位上升至接近高位閾值時，ESP32會控制繼電器斷開，關閉水泵，以確保水池水位始終處于設定范圍之內[8-9]。

（3）無線數據傳輸：除了實現本地控制，ESP32還能通過集成的LoRa模塊，將實時采集的液位數據以及設備（如水泵）的工作狀態信息通過低功耗廣域網（LPWAN）穩定可靠地發送給LoRa網關。

2.2 LoRa網關節點設計

為提高數據傳輸的準確性與可靠性，該系統特別選用了具備跳頻抗干擾能力、遠距離通信能力和強大穿透能力的LoRa模組[10]。LoRa網關節點作為該系統的重要組成部分，起到連接水位監測與控制節點和中央服務器或云平臺的作用。該節點負責接收來自LoRa終端設備發送的無線信號，并將這些設備所采集的數據打包并通過Internet網絡轉發至云端服務器[11]。LoRa網關節點的硬件構成包括LoRa射頻模塊、ESP32微處理器、電源等，如圖4所示。

LoRa網關節點在本系統中的工作流程如下：

（1）數據接收：LoRa網關具備較強的接收靈敏度和較遠的傳輸距離，能夠有效地收集水位監測與控制節點利用LoRa無線通信技術發送的液位數據以及設備狀態信息。即使在地形復雜、網絡覆蓋條件較差的鄉村地區，也能確保數據的穩定傳輸。

（2）數據匯聚與轉發：LoRa網關將接收到的數據進行匯總處理，然后通過ESP32 WiFi模塊將這些信息上傳至云服務器或數據中心，實現終端設備與云端平臺之間的數據交互[12]。

（3）控制指令下發：當云端平臺根據接收到的數據做出新的控制決策時，會通過LoRa網關將控制指令下達到各個水位監測與控制節點，例如調整預設的液位閾值、更新設備工作模式等，控制流程如圖5所示。

2.3 應用服務監控系統

云服務器端功能如下：

（1）數據接收與處理：云服務器端需要配置相關軟件服務，接收并處理來自LoRa網關節點轉發的各水位監測與控制節點的數據，包括但不限于實時液位數據、設備狀態信息等。

（2）指令下發與設備控制：根據用戶通過手機APP端發出的操作指令，或系統自動觸發的規則引擎，云服務器端需要將控制指令通過LoRa網關發送到對應的水位監測與控制節點，實現對水泵等設備的遠程操控。

（3）告警與通知服務：當檢測到液位異常、設備故障等情況時，云服務器端應立即觸發告警機制，通過郵件、短信、APP推送等多種方式通知相關管理人員，并記錄告警事件以供后續追蹤和分析。

手機APP客戶端功能如下：

（1）實時監控界面：APP提供友好、直觀的用戶界面，使用戶能夠隨時隨地查看各個水池的實時液位數據以及設備的工作狀態。

（2）" 歷史數據查詢：用戶能通過APP查閱歷史水位記錄，查看趨勢圖或下載數據報表，以便掌握水資源使用規律和設備運行狀況。

（3）遠程控制功能：用戶可以直接在APP上遠程控制水泵等設備的啟停，以及設置相關的液位閾值，實現對飲水工程設施的靈活管控。

（4）個性化設置與通知提醒：APP允許用戶自定義液位報警閾值[13]、定時任務等，并在出現異常情況時及時推送消息通知用戶。

監控系統采用APP Inventor框架[14]進行開發，其主要功能包括用戶登錄、接收LoRa網關上報的數據、數據存儲以及在手機端界面上顯示液位檢測節點的狀態等功能。手機APP遠程監控系統架構如圖6所示。

3 結 語

本文針對鄉村飲水安全這一重大民生問題，設計并實現了一套基于物聯網技術的實時液位監測與自動控制的智能系統。該系統由水位監測與控制節點、LoRa網關節點及應用服務監控系統三大部分構成，形成了一條從感知層到應用層的完整鏈路。

水位監測與控制節點集成了電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器以及水泵，成功實現了水位的實時自動檢測和水泵的自動控制。借助LoRa低功耗廣域網技術，該節點能夠將采集到的液位數據和設備狀態信息準確、穩定地傳輸至LoRa網關，有效解決了鄉村地區網絡覆蓋受限的難題，確保了數據傳輸的高可靠性。

應用服務監控系統充分利用了云服務器和手機APP客戶端的優勢，使得管理部門能夠實時接收、存儲和處理液位數據。同時，用戶可通過APP便捷地查看水池實時液位信息和歷史記錄，并根據實際需求遠程操控水泵啟停，實現了對系統的雙向通信和遠程監控。ESP32主控芯片因其低功耗、高性能的特點，在物聯網領域的應用前景日益廣闊。經過實驗測試，該系統能夠對鄉村蓄水池水位環境信息實現準確監測，且便于遠程查看信息，對工業應用有一定的價值[15]。

綜上所述，本文設計的基于物聯網技術的實時液位監測與泵入控制系統不僅提升了鄉村飲水工程的自動化管理水平，有效節約了水資源，也極大地提高了供水效率和飲水安全性。未來將繼續致力于優化系統性能，擴大應用規模，并針對不同地域的特點和需求進行適應性改造，力求在更大范圍內推廣這一創新成果，助力我國鄉村飲水安全建設與鄉村振興戰略的深入推進。

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