安装家用无线水表

费文绪/编译

安装家用无线水表

费文绪/编译

●注意对Arduino微控制器和树莓派（Raspberry Pi，基于Linux系统的单板机电脑）的使用。

我曾经住过的加利福尼亚州干旱严重，幸亏我现在居住的北卡罗来纳州更为湿润，不过即便这里，也曾有数年时间缺水，要求人们节约用水。

大多数人都乐意遵守这样的要求，但是，当你的用水信息只是通过每月一次的水费单来了解时，节约用水并不是那么容易做到。当然，你可以通过定期关注你家的水表读数来更精细地跟踪用水量，但是谁能坚持这么做呢？所以，我自己组装了一个用水量监测器，能实时显示我家的用水量。

我的监测系统不需要改建水管，而且通过我家的无线网传输信息，所以，我能在家中任何一台联网的设备上看到用水量。现在，当我十几岁大的孩子们在淋浴中恣意挥霍用水时，我就可以用定量的测量数据训斥他们。

为了测量市政供水流量，我使用了一个数字指南针（一个2轴磁力计），是我以前从电子产品零售商SparkFun Electronics购买的，作为定向仪使用。现在SparkFun不再出售该组件，但是你只需花更少的钱（15美元），就能买到一个3轴磁力计，和以前的2轴磁力计一样好用甚至更好用。

因为机械水表的工作方式，磁力计在这里很有价值。在实际中，为了把水表的齿轮与水隔离开来，转子通常连到分离室的磁铁中，水流通过该分离室流动。当水转动转子时，这块磁铁会转动水表齿轮箱中的另一块磁铁。如此一来，这些成对的磁铁就在水表周围形成了一个磁场，磁场会随着水流快慢而变化。

我推断，由磁耦合机制导致的磁场变化会在水表外部提供一个强烈的信号。而实际上，磁信号相当微弱，很可能是由于如下几个原因：水表的钢铁外壳可能屏蔽了水表的内部磁场，而且水表内部的移动零件很可能包括各种钢铁成分，会以更高的频率产生以假乱真的磁场。至少我是这么怀疑的，不管怎么说，我不得不处理一片混乱的信号。

液体数据

为了远程监测流过我家水表的水流，我在水表上附加了一个磁力计，并用一个Arduino微控制器读取和处理原始数据。Arduino通过电线向树莓派发送数据，树莓派会生成一个简单的网页显示用水量，我能在我家的Wi-Fi网络中访问该网页。

所以我面临的第一个挑战是给一个连到磁力计上的Arduino编程，把充满噪音的磁信号转换成水的流速。我原本构想的是利用傅立叶变换挑选出与水流速相对应的主频率，但是我反而选择了自相关，也就是，程序把信号的短样本乘以其时延样本，然后进行求和。为了找到主频率，Arduino的代码增加了两个样本之间的时延，然后在求和结果中寻找一个峰值。这种算法所需的运算量少得多，似乎对于噪声和谐波相当管用。

对花园里的水管进行的测试显示，这样安排能辨别潺潺流水和喷涌而出的水之间的流速不同。所测水流速的低值受限于Arduino收集数据的时间（数据处理之前的时间）。我设定的时间大约是3秒钟，这让我能测量小到滴水的流速。但是在监测最高的水流速方面（比如当我使用一个没有连接软管的室外水龙头时），我的系统就够呛了。

你可能以为高流速会产生一个比低流速更易测量的信号，但是事实并非如此。当水流速真的很高时，水表内部的磁铁旋转速度会超过磁力计的最快采样速度，导致混叠现象。结果，超过某个流速之后测量到的数据其实是无效的。

不过，由于很少遇到水管爆裂的情况，我家还没有人的用水速率会达到或超过那个阈值，所以我们决定不担心这个限制，继续研究如何进行信息通信。同样涉及的问题是如何为我放在水表里的Arduino和磁力计供电，而水表跟我的房子是分离的。

解决方法是用一根15米长的四芯电话线，两根芯把9伏直流电通到Arduino，另两根芯把数字信号输出到树莓派（利用SparkFun的另一种电板转换到RS-232电压电平），我把树莓派放在门廊上一个常用的交流电源插座旁边。从那里，很容易让两个“壁瘤”（即壁式电源）给树莓派和Arduino供电，而且树莓派离我的路由器足够近，能联上我家的无线网。

我用Python语言（一种面向对象、解释型计算机程序设计语言）给树莓派编程，生成一个单独的网页，利用Flask框架创建网页应用程序。网页显示了水流速和总用水量，每10秒钟更新数据，并且有一个按钮让用水量计数器复位清零。

我尚未尝试使我的设置标准化，从而使流速以合理的单位显示，比如每分钟多少升。所以，总用水量的数字现在也是以任意单位给出的。但是，Arduino和树莓派联合起来完成了一件了不起的事情，那就是告诉我相对的水流速。现在我们全家可以在淋浴时互相比赛，看看谁用水最少。

[资料来源：IEEE Spectrum][责任编辑：彦隐]