智能防漏水系统设计

梁昕, 张晨

(南京机电职业技术学院 电子工程系, 江苏 南京 210016)

0 引言

随着信息技术的快速发展，人们生活水平的不断提高，越来越多智能家居设备进入到千家万户。智能家居系统利用计算机技术、网络技术、智能云台控制技术等将家居安全、安防系统、灯光窗帘、信息家电等有机地结合在一起，实现“以人为本”的全新家庭生活的体验[1]。在家庭安全防范中，水灾不容忽视，家居漏水的情况时有发生，如水管破损爆裂、停水后忘关水龙头等。不仅使家庭财产遭受损失，还浪费了大量水资源，因而智能防漏水系统是家居安全中最基本和不可或缺的部分[2]。

1 系统设计

本文设计了一种智能防漏水系统，可以监测统计家庭用水情况。系统开机后，可控制水阀开关。阀门打开状态时，当水流量大于设定最低阀值，即判断开始单次用水，计流量和使用时间。本系统报警的流量控制与用水时长均为单次用水时间，即水阀关闭后，单次统计就清零。单次用水每分钟的流量值和单次用水时间可根据家庭用水情况进行设置，如家中人数有变动也不影响报警水流量，或长时间少量漏水时，单次用水时间就达到单次用水报警时间的阈值，同样触发报警信号。长时间出门可将单次用水量和用水时间调小，当出现超水量、超时间时，认为出现异常漏水情况，系统立即关闭阀门，断水，界面显示对应报警图标，蜂鸣器报警，并通过微信小程序发送消息给房主。此系统可有效地控制漏水给家庭带来的损失。

智能防漏水系统由以下几部分构成,如图1所示。

图1 系统框图

MCU主控模块、传感器检测模块、显示模块、无线传输模块、驱动开关电机及电源模块。通过霍尔流量传感器检测水流量，将检测到的脉冲信号传输给MCU主控模块[3]，主控模块根据设定的单次用水量和用水时间判断是否漏水。如当前用水量及用水时间小于设定值，认为正常用水状态，LCD触摸屏上显示用水量和用水时间。如果超过正常用水，为漏水状态，则MCU主控板驱动电机，关闭水阀阀门，同时蜂鸣器报警，无线发送报警模块通过WiFi给房主微信小程序发送消息，提示家中漏水，水阀已关闭。单位时间用水量和用水时间可在LCD触摸屏上面设置。

2 智能防漏水分模块设计

2.1 MCU主控模块

MCU主控模块是整个系统的核心，本系统选用意法半导体ST公司出品的STM32F103ZET6微控制器作为主控芯片，STM32是32位的ARM微控制器，STM32F103ZET6是属于增强型系列，具有低功耗、低电压操作特点，在同类产品中性能最高，频率时钟达到72MHz，有144个引脚，程序存储容量是512KB，有WIRELESS 模块接口，支持无线通信[4]。系统通过它来接收传感器检测到的水流量信号，判断发送报警信号，通过WiFi发送无线数据，与触摸显示屏实现人机交互，控制电机操作水阀开关等，构成完整的智能防漏水系统。STM32微控制与其他模块的接口电路,如图2所示。

图2 MCU主控模块

2.2 传感器检测模块

系统的水流量检测模块由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔流量传感器组成。其装在家庭用水的进水端，用于检测用水流量和用水时间。当水流通过水流转子组件时，磁性转子随着水流量的大小以不同的转速转动，切割磁场，霍尔传感器感应输出脉冲信号，发送给控制MCU，控制器实现水流量和时长的计量，根据计量结果判断为正常用水还是漏水。霍尔流量传感器反应灵敏，计量准确，使用寿命长，工作可靠，性价比高，适用于家庭智能家居的使用。霍尔传感器检测模块,如图3所示。

图3 霍尔传感器检测电路

2.3 LCD触摸屏模块

LCD触摸屏是人机交互的界面，用于显示与设定用水信息及其他功能，本系统选用显尚光电的DST2001PH2.8英寸的TFTLCD。LCD界面显示实时用水量(单位为L/min)和当前用水时间。设定漏水阈值的用水量，水流量可设定范围2-45 L/min，最小流量为2 L/min，低于此流量传感器无输出。单次用水时间可设定为1-500 min。LCD触摸屏上有报警状态栏，显示超水量、超时时长、漏水报警，及消除报警按钮。可以选择触摸屏的阀门开关键，手动控制水阀的开关。

2.4 无线发射报警模块

当MCU主控模块接收到传感器的信号后，对信号进行处理与判断，把结果经无线发射报警模块发送出去，其中RF无线发射器采用NRF2401芯片实现。NRF2401单片射频收发，工作于2.4-2.5 GHz ISM频段，适用于WiFi等多种无线通信场合，支持低功耗工作模式，节能，设计方便[5]。无线模块电路设计如图4所示。

图4 无线模块电路

出现漏水状况时，无线发射报警模块通过WiFi发送漏水信息到用户的手机微信小程序，并把当前用水量，用水时长以及阀门已关闭的信息告知用户。

2.5 驱动减速电机模块

智能漏水保护系统对水阀的控制最终是由减速电机马达开关阀门实现的。系统选用90度限位，支持正反转的减速电机。驱动电路如图5所示。

图5 电机模块电路

安装漏水保护系统后，可通过按键驱动电机打开阀门，便能正常用水。当出现漏水，或需要关闭阀门时，电机反转，关闭水阀。

电动阀门减速电机控制精度高、稳定性好、性价比高，有利于系统长期有效的运行。

3 总结

本文设计的智能防漏水系统，内置5 V锂电池，在断电的情况下，依旧能保证系统正常工作，可实时监测家庭用水情况。如设置单次用水报警流量为10 L，单次用水报警时长设置为5分钟，时长当单次用水量超过10 L或者单次用水时长超过5分钟时，认为是持续漏水事件，则系统立即关闭水阀，并上报消息到个人手机微信。智能防漏水系统可保护家庭用水安全，及时止损。本系统拥有无线通信模块，能将用水信息通过WiFi发送到手机端的微信小程序，使用方便，顺应时代的发展潮流，进一步满足人们对智能家居系统的要求。