水箱漏水智能监测报警系统设计与实现

周秀珍

（武汉职业技术学院，湖北武汉，430072）

0 引言

目前，大多数高层居民楼储水设备为水箱，储水箱多安装在楼顶或偏僻场所，一般通过人工定时巡查检测水箱情况，一旦水箱出现漏水，很难及时被发现，会造成水资源浪费。对于检测漏水的仪器有很多，国外很早就开发了实用性较强的轻型检漏仪，提高了检测设备的可靠性和准确性。但检漏仪通常比较昂贵，在管道，机房，仓库等地用得比较多。而国内外关于漏水检测的仪器和传感器有多种，有音听检测，通过听各点声音检测是否漏水，但这种检测不能持续对水箱进行自动检测；有漏水感应线缆，通过检测线缆回路的电阻变化来确定是否漏水，将它埋设到机房或者缠绕到管道比较容易检测到漏水情况和漏水点，但是对于水箱检测操作起来不是很方便；还有无线针式漏水检测传感器，传感器地脚有4 个针，漏水时通过水的导电性使任意两个点联通发出信号，但这种多用于家中易漏水点的检测，对于室外较大型水箱并不适合。且大多数漏水检测传感器多要接触见到水才能发出有效信号，不能直接适用了居民储水箱。本文研究和设计了一种储水箱漏水智能监测和报警控制系统，可以对水箱漏水进行实时检测、监控和报警，以减少水的浪费，为节约水资源做贡献。

1 系统硬件设计

本文所设计的储水箱漏水智能监测报警系统的总体设计方案，采用5 个主要模块组成整个系统：检测模块，单片机控制模块、通信模块、显示执行模块，数据终端模块。本系统通过检测模块采集水箱相关信号，给单片机控制模块进行处理和判断是否漏水及实时水位，经通信模块传送到数据终端和执行模块，执行模块实现对水箱就地或者远程有效控制。整体系统结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

■1.1 检测模块

检测模块主要实现对水箱漏水情况的检测。传统的漏水检测传感器一般都需要积水达到一定的程度才能进行有效的检测[1]，但水箱漏水多发生地较为缓慢，且漏水的点不固定，等采集到有效的水量时，很有可能已经漏了很多水了，等发现时已经造成了浪费；并且大部分水箱安装在室外，由于下雨造成的积水也会产生假性检测，误认为是水箱漏水，所以采用传统的漏水检测传感器，并不能及时有效的检测到水箱是否漏水。

本系统在这里主要采用间接检测法来检测漏水情况。仅单纯采用水位传感器只能检测水位的高低，但影响水位高低的因素有很多，有因进水阀打开的水箱进水，也有因居民用水产生的出水，而且居民用水量并没有一定的规律，因此水箱水位的突然降低可能是因为漏水引起来的，但也有可能是居民集中用水突增引起，所以仅靠判断水位高低并不能精确的确定水箱是否漏水。综合这些因素，本系统设计了间接漏水检测法，其原理如图2 所示，在水箱进水管处安装水流量传感器检测进水量，在水箱的出水管处也安装水流量此处主要检测出水流量，在水箱的底部放置水压传感器，主要用于水箱水位高度变化的检测。当单位时间内进出水流量之差刚好等于水位的变化引起的水箱水容量变化，认为不漏水；当进出水的水流量之差与水位的变化引起的水箱水容量变化相差很大，则认为漏水。同时还可以实时地监测水箱的水位情况，以预防停水。

图2 水箱漏水检测结构图

水压力传感器这里主要采用，输出信号为4～20mA 的电流模拟信号，这里可以直接A/D 转换模块进行出处理。水流量传感器为霍尔水流量传感器，这里主要输出的为脉冲信号，可以直接接到单片机的数字量IO 口进行处理。传感器如图3 和图4 所示。

图3 水流量传感器

图4 水压传感器

■1.2 通信模块

通信模块，主要是实现数据的远程传输。由于水箱多安装在楼顶或偏僻场所，故就算检测模块检测出正在漏水，而管理员并不在现场也不能及时的关闭水阀和处理漏水的情况，而通信模块可通过控制模块将漏水情况及时地传递到不在现场管理人员。

本系统的通信模块主要采用ESP8266 无线模块，如图5 所示。ESP8266 是一款高性能的WiFi 串口模块，内部集成了MCU 能实现单片机之间串口通信。是目前使用最广泛的一种WiFi 模块之一。它可以和ARM 芯片进行直接的交互，也可以直接和手机APP 进行交互，经过控制核心检测和判定的结果。

图5 ESP8266 WiFi 模块

图6 STM32F103C 单片机

■1.3 单片机控制模块

单片机控制模块是整个系统的核心部分，它负责对检测模块采集的信号进行处理，以判断水位的高低计算水箱实时水位，根据进出水量和水位高低变化计算判断水箱的漏水情况；同时根据漏水情况与否通过通信模块向远程手机APP报警，也可直接对执行模块进行电磁阀的闭合操作；还可以接LCD 显示模块，对水位情况，以及漏水情况进行显示和报警。

本系统的控制核心采用32 位的ARM 芯片，其型号为STM32F103C8T6，它是一款由意法半导体公司（ST）推出的基于Cortex-M3 内核的32 位微控制器，硬件采用LQFP48 封装，属于ST 公司微控制器中的STM32 系列。内部有多个GPIO 可对开关信号进行接收，同时也集成了2个12bit 的ADC 和4 个16bit 定时器/计数器。ADC 可直接对传感器模拟量信号进行采集和处理，这里可以直接对水压信号进行采集和处理判断，通过CPU 可以计算出实时水位，以及上个单位时间内水的变化量。使用内部计数器对通过GPIO 采集水流量传感器脉冲信号进行计数，通过具体数值计算出实际的水流量。通过GPIO 给通信模块和LCD 显示执行模块传递指令信号。具体的信号控制图如图7 所示。

图7 STM32F103C 信号控制图

图8 OLED 液晶显示模块

■1.4 显示执行模块

显示执行模块主要包括二大部分，显示模块和执行模块。显示模块主要实现水位情况、漏水情况及报警的情况的显示，这里通过单片机将计算处理的相关信号和结果传送到LCD 上进行显示，本系统采用小型OLED12864 的液晶显示屏[2]，可直接安装在水阀旁边，便于管理人员随时能直接观察到水箱情况，同时还可配置蜂鸣器等模块进行报警提示。执行模块主要执行相关的处理操作包括打开和关闭各种电池阀等。

2 漏水检测的原理和实现

■2.1 间接漏水检测原理

间接漏水检测法，是通过计算水箱进水量和出水流量，以及水箱实际变化的容量，通过比较单位时间内进出水之差和实际容量变化之差，来判断漏水情况。因此关键是单位时间内水箱进水量和出水量的测量和计算，以及水箱实际容量的变换测量和计算。

本系统的中进出水量的测量主要是通过水流量传感器，本系统的漏水检测是主要是通过水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5V 的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于涡轮流量计的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比，因此CPU通过计数器对接收到脉冲信号进行计数，并启动定时，通过单位时间t 的脉冲数(设脉冲数为n)，就计算出转速，再正比（假设比例系数为K）与水流量即可计算出单位时间内水流量，水流量=K*n/t。通过在进水管和出水管的水流量检测器的信号采集就可以计算出整个进水量和出水量。

而检测水位高度的主要采用压强传感器，根据P=ρgh，根据压强可以检测出实时高度，根据压强的变化可以推算出高度的变化，根据水箱的形状可以计算出水箱的横截面面积（假设为S），那么水箱在单位时间内的变化量ΔV=SΔh。

假设进水量为V1=K*n1/t，出水量V2=K*n2/t，那么水箱的净增长量Vj=V1-V2。比较水箱净增长量和水箱的变化量，就可以判断出水箱的漏水情况。再根据漏水量的多少，判断漏水的严重性。将单个单位时间漏水量进行累加就可以计算出累积漏水量。

漏水的判断规则如下：

(1)特别说明这里的Vj始终是进水量减出水量，即水的净增长量；而水箱的体积变化量ΔV，始终为当前时间的水量减去前一个时间点的，即水箱中水容量的增长量；

(2)当Vj-ΔV大于10ml（单位时间以1 分钟为计），即1 个小时漏了0.6L 水，则认为水箱严重漏水；

(3)当Vj-ΔV大于3ml（单位时间以1 分钟为计）小于10ml，水则认为水箱漏水了；

(4)当Vj-ΔV小于3ml 大于1ml（单位时间以1 分钟为计），则认为水箱轻微漏水；

(5)当Vj-ΔV小于-2ml（单位时间以1 分钟为计），则认为可能进出水传感器出现问题，因为水的净增长量不可能小于水的容量的增长量，即水箱里面的水容量增长了，但是水没有增长，这种情况不可能，所以这样只可能是传感器出了问题；

(6)同时还可将漏水量累计起来，计算总漏水量。

■2.2 漏水检测的软件实现

根据检测原理和漏水判断规则，漏水检测的程序实现流程如图9 所示。首先对采集的数据进行处理，分别计算水流量、水箱净增长量和实际水箱的增长量，再替换存储当前值和上个时间点值，计算单位时间漏水量和累积计算漏水总量。根据单位时间的漏水量分级判断漏水级别，以后需按照相应的级别进行控制处理。

图9 漏水判断流程图

3 漏水智能检测报警系统的设计与实现

通过漏水检测的设计与实现，可实现对漏水情况的判断和水箱实时位置的判断。单片机主控芯片则根据检测的结果进行分级报警警示和报警处理。主要的流程如图10 所示。同时还会将相关的信息进行整合和显示在近端的LCD 和远端的手机APP 上。

图10 水箱智能监测报警系统流程图

整个系统主要分为以下几个功能：

(1)初始化处理

单片机上电后，先进行初始化，初始化主要包括定时器，OLED，A/D 接口等模块的初始化。定时器模块主要是便于实现单位时间内定时和对进出水量的脉冲计数，OLED 做好显示的准备，A/D 接口便于直接处理外部的压强传感器信号以计算进出水量。

(2)漏水功能检测和处理

初始化完成后进行数据采集处理，调用漏水判断处理程序，判断漏水情况。根据漏水检测程序的处理，获取的漏水情况有，严重漏水，漏水，轻微漏水和不漏水，以及故障状态；再根据漏水的严重程度进行分级报警，同时进行不同的控制处理。当漏水严重，立即进行关闭进水阀，同时声光报警，并将报警信息远程发送到管理员手机上，提醒管理人员，立即赶到现场检修并处理；如果一般漏水，则不关闭水阀，但会报警，并将报警信息发送到远程管理员手机APP 上，通知管理员赶到现场检修和处理；如果是轻微漏水，则会显示漏水量，并将预警信息远程发送到手机APP 上，提醒管理员可能会漏水，进行巡查和检修。如果不漏水，则不报警，但是也会将水箱的实时位置，及用水量等相关信息进行显示和发送到远程APP 上，进行日常监视。如果是出现传感器故障状态，也会提醒管理员到现场检测和判断是否传感器存在故障，以进行更换。

(3)信息检测与显示

不管是否存在漏水，漏水情况如何都会将水箱的常规信息在近端的LED 显示，同时也会通过通信模块与手机进行互通，将液位、水压、进出口水流量、耗水量等数据保存到服务器终端，实现大数据整合，形成大数据智能交互系统。管理员可根据个人意向，查询相关数据，并可在严重漏水时远程控制关阀。

4 结论与存在问题

通过搭建小型单片机系统，进行简单的模拟测试，基本上可以实现系统的分级报警，以及远程数据交互，远程控制电磁阀等功能，实现水箱漏水检测，智能报警和远程监控等功能。主要存在以下优点：

(1)智能管理，省时省力。通过各传感器与单片机之间的信息交互来实现漏水监测，并经由WiFi 模块短信预警、远程关阀，省去不必要的人力、精力，灵敏度高，控制便利。(2)响应灵敏，性价比高。将单片机作为控制核心的储水箱漏水智能监测报警系统，成本低廉，响应灵敏，控制方便，性价比高。(3)及时发现漏水，有效节约水资源。小区能及时有效地发现水箱漏水情况，有效管理水箱节约用水，保护水资源。

但也存在一些问题，后期有很多地方需要努力，主要包含以下方面：

(1)测试还需更进一步加强，针对实际的储水箱和进出水阀进行有效测试，以及考虑不同水箱形状，安装位置，来综合考虑传感器安装以及水箱容量计算等细节方面地进行深入调试。(2)漏水检测目前对象还比较单一，借助水箱漏水监测控制的成功经验，将创意能延伸扩展到油箱等其他液体类容器漏液监测上去，在其他的行业和生产等过程中也发挥重大的意义。(3)目前只是实现单个水箱的检测和水位管理，后期可以充分利用互联网+和物联网技术，将大数据不断融合，接入到整个片区的智慧生活网络中去，尝试打造居民互联网+的智慧生活。