智能补水系统的设计

2023-09-12陈震

科学技术创新 2023年21期

陈震

（泰州职业技术学院，江苏泰州）

引言

目前，市场上热水采暖系统和中央空调系统大部分采用水为媒介进行换热，为了保证系统冷热交换稳定正常，空调水系统必须保持有一定的系统循环压力，因此热水采暖系统和中央空调系统通常需要安装自动补水装置，从而保证水系统内不倒空、不汽化、不超压。系统通常采用自动补水阀进行定压补水[1-2]，当系统压力低于设定压力时阀门自动打开补水，达到设定压力时自动关闭阀门停止补水。但当密闭水系统出现漏水点后，为了维持水压，补水阀会一直打开阀门补水，造成水资源的浪费。若是在寒冷的天气下，漏水处会受冻结冰，导致管道爆裂，自动补水阀出水端压力变小，导致补水装置只能不断补水，造成水资源的浪费，甚至财产的重大损失。

为了解决自动补水阀不能判断漏水的问题，本文提出了一种基于机智云的智能补水系统的设计[3-5]。补水系统通过流量传感器检测密闭水系统的补水量，根据补水量判断水系统是否发生泄漏，同时通过Wi-Fi与机智云平台连接，将补水量等相关信息发送到云平台，通过云平台或手机APP 可以实时观察补水量以及补水阀的开关信息，同时可以手动切换补水阀开关。

1 机智云平台

机智云平台是机智云物联网公司面向个人、企业开发者推出的一站式智能硬件开发及云服务平台。平台提供了从定义产品、设备端开发调试、应用开发、产测、云端开发、运营管理、数据服务等覆盖智能硬件接入到运营管理全生命周期服务的能力。

平台主要包括技术中台、业务中台、数据中台三部分。技术中台负责管理技术方面问题，实现用户到云平台的数据处理；业务平台负责物联网平台与用户之间的业务处理，以保证物联网行业可以紧跟时代的高速发展和解决用户日益增长的业务问题；数据平台负责将数据集中化处理，并保存在系统云端，可以方便用户在云端找到所需要的主题系统。

2 系统硬件设计

系统硬件结构框图见图1。主要由主控制器、无线通信模块、水流量传感器模块、继电器控制模块等组成。整个系统以STC8F2K16S2 单片机为核心，水流量传感器YF-S201 实现对补水量的采集和电磁阀的开关，Wi-Fi 无线通信模块ESP-01S 通过串口将主控制器与机智云平台连接，实现数据的上传及命令的下发。

图1 硬件结构框图

2.1 主控制器

本系统采用STC8F2K16S2 单片机作为主控制器芯片。STC8F2K16S2 是宏晶科技的一款基于51 内核的单片机，指令完全兼容传统5051，是单时钟/机器周期 (1T) 的单片机，比传统的8051 系列要快11.2～13.2 倍，其片内具有16K 程序存储器。

2.2 无线通信模块

ESP-01S 是由安信可开发的WiFi 模块，该模块核心处理器ESP8266 芯片是高性能无线SoC，以最低成本提供最大实用性，高度集成天线开关、射频巴伦、功率放大器、低噪声接收放大器、滤波器等射频模块，同时芯片内置了业界领先的Tensilica L106 超低功耗32 位微型MCU，带有16 位精简模式，主频支持80 MHz 和160 MHz，支持实时操作系统（RTOS）和Wi-Fi 协议栈，可将高达80%的处理能力应用于编程和开发。

ESP-01S 模块支持标准的无线802.11b/g/n 标准，完整的TCP/IP 协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

ESP-01S 可以作为独立WiFi MCU 运行，用户通过基于RTOS 的SDK 开发带WiFi 连接功能的产品。也可以通过SPI/SDIO 接口或UART 接口即可作为WiFi 适配器，应用到基于任何微控制器设计中。

ESP-01S 模组共接出8 个管脚，管脚功能定义见表1。

表1 管脚功能定义

本设计中将ESP-01S 模块通过串口与主控制器STC8F2K16S2 连接，通过其内置的固件为主控制器提供Wi-Fi 连接功能。具体电路见图2。

图2 ESP-01S 接口电路

2.3 水流量传感器模块

根据实际应用场合和控制的需要，选用基于霍尔元件的水流量传感器模块YF-S201。水流量传感器主要由阀体、水流转子组件、霍尔传感器和电磁阀组成。当水通过水流转子组件时，带动磁性转子转动，产生不同磁极的旋转磁场，霍尔传感器产生高低脉冲电平。由于霍尔元件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，可通过检测脉冲信号的个数来判断水流量的多少。

YF-S201 工作电压范围宽，直流5～18 V 供电，DC5 V 时，最大工作电流15 mA，耐水压≤1.75 MPa，流量脉冲频率与水量的关系见公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F 是流量脉冲频率，单位Hz；Q 是水流量，单位L/min。

YF-S201 将电磁阀和流量传感器一体化，降低了设备的安装难度，使用方便。YF-S201 有2 个接口，流量传感器接线方式采用三线制，红线是电源线，接电源正极，黄线是脉冲信号输出线，黑线地线，接电源负极。电磁阀接线采用两线制，接12 V 的线圈控制电压。

YF-S201 模块中流量传感器的信号采集电路见图3，流量传感器的工作电压5 V，输出脉冲信号的幅值是5 V，而主控制器STC8F2K16S2 是3.3 V 供电，两者的IO 电平不匹配，因此通过一个简单的分压电路将脉冲的幅度转换成3 V 送给主控制器的外部中断INT0。

图3 YF-S201 信号采集电路

2.4 继电器控制模块

YF-S201 模块中电磁阀是通过直流12 V 控制的，因此主控制器不能直接控制电磁阀，必须通过继电器模块来控制电磁阀的开关。电路见图4。其中主控制器和继电器模块之间通过光耦进行隔离。

图4 继电器驱动电路

2.5 电源模块

根据前面模块电路的设计，系统需要12 V、5 V和3.3 V 三种电源。系统选用固定输出电压3.3 V 和5 V 的AMS1117 来实现供电。见图5。12 V 电压由开关电源提供，其中一路用来控制电磁阀，一路通过AMS1117-5 V 将12 V 转换为5 V 稳定电压。5 V 电压除了给流量传感器供电和控制继电器以外，还通过AMS1117-3.3 V 将5 V 转换为3.3 V 稳定电压。因为Wi-Fi 模块要求外部供电电源输出电流建议在500 mA 以上，为了保证系统工作的可靠性，因此通过2 片AMS1117-3.3 V 将5 V 转换为2 路独立的3.3 V 稳定电压，其中一路单独给Wi-Fi 模块供电，另一路给主控器和其它器件供电。

图5 系统电源电路

3 系统软件设计

本系统的软件设计主要分为上位机和下位机两部分，见图6。下位机软件是指单片机模块的程序设计，通过传感器记录水流量和电磁阀的状态，并将数据传送到云端。上位机软件是指手机端的移动APP，通过APP 可以实时查看下位机上传的数据，并可以云端对下位机进行控制。两者通过机智云平台进行数据信息的交换。

图6 系统软件结构

3.1 云端数据点设置

在机智云平台进入个人账户后，创建新产品，名称设置为“智能水阀”。根据水阀控制的需求，定义了3个数据点，见表2。

表2 数据点定义

其中，数据点onoff 用于显示电磁阀的开关状态，同时为了能够通过移动APP 控制的电磁阀的开关，因此将数据点的标识名设置为onoff，读写类型设置为可写，数据类型设置为布尔值。数据点水流量用于显示系统的补水量，将数据点的标识名设置为flow，读写类型设置为只读，数据类型设置为数值。数据点报警用于补水量超过阈值时报警，将数据点的标识名设置为alarm，读写类型设置为报警，数据类型设置为布尔值。

3.2 单片机程序设计

数据点设置好后，进入MCU 开发页面，机智云会根据定义的数据点自动生成整个MCU 工程代码。自动生成的代码已经根据用户定义的产品数据点信息，生成了对应的机智云串口协议层代码。工程代码需要用户开发的有三部分，一是配置处理，用于设备配置入网及恢复出厂设置；二是下行处理，用于移动APP控制电磁阀的开关；三是上行处理，用于补水量和电磁阀开关状态的获取。

在WiFi 模块使用前，需要将其配置入网。在程序中通过按键使WiFi 模块进入AirLink 配网模式。下行处理只需在gizwitsEventProcess()函数中处理相应事件即可。上行处理在userHandle()函数中实现即可，用于补水量和电磁阀开关状态的获取。

水流量传感器输出的脉冲信号作为外部中断信号送入单片机，每10 s 计算一次水流量并累加，若10 s内水流量或累计水流量超过规定的阈值，则自动关闭电磁阀停止补水。流程见图7。