朱 娜，陳 偉，郭容慧，王志鵬，楊 涵，王素芹

（江蘇海洋大學理學院，連云港 222005）

0 引言

地球是個藍色星球，水資源豐富，但是適用于人類生存的但水資源卻很缺乏，就像中國是個嚴重缺水的國家，而雨水資源很豐富，所以充分利用雨水資源有助于緩解我們缺水的情況，與水資源的重復利用在我國的中西部地區(qū)早有先例，但是存在操作繁瑣利用率不高的問題。

現(xiàn)如今的社會是智能化的社會，所以本文從雨水收集重復利用和智能化出發(fā)，設計了基于物聯(lián)網的智能雨水收集再利用系統(tǒng)，目的在于提高雨水利用效率，緩解水資源緊張的問題。

1 系統(tǒng)方案選擇

1.1 設計構想

利用STC15F2K60S2作為本系統(tǒng)的硬件核心控制芯片，通過環(huán)境數據采集傳感器采集數據，并將數據傳送給單片機，單片機通過無線網模塊將數據傳送到云端服務器，云端服務器通過自帶的算法數據處理包將數據轉換成環(huán)境變化走勢圖存儲在服務器內，且在下雨時，系統(tǒng)可以通過屋頂的導流管收集雨水，并將收集來的雨水經過多次過濾后存儲在地下的水池內，當用戶花園的土壤濕度低于植物生長的最低值時，單片機控制水泵工作給花園灌溉，直至土壤濕度符合植物生長需求。且用戶可以通過手機的APP、Web和微信小程序訪問服務器，查看系統(tǒng)的工作狀況和實時數據。

1.2 硬件選擇

選用STC15F2K60S2單片機作為核心控制芯片，采用MQ-2氣敏煙霧傳感器、XZ2-BZY-60遠紅外火焰?zhèn)鞲衅?、GY-39四合一氣象站模塊和土壤濕度傳感器采集環(huán)境數據，通過單片機控制水泵對花園進行灌溉，利用ESP8266模塊將環(huán)境數據和系統(tǒng)工作狀態(tài)傳送到云端服務器，方面用戶進行隨時查看了解系統(tǒng)信息。

STC15F2K60S2單片機通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環(huán)境中可燃氣體濃度，并且將濃度傳送到云端服務器，形成可燃氣體濃度趨勢走向圖，通過XZ2-BZY-60遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髋袛喹h(huán)境中是否有明火，降低火災發(fā)生概率。單片機通過GY-39四合一氣象站模塊實時采集環(huán)境的溫濕度、光強和大氣壓強數據。通過土壤濕度傳感器采集植物生長環(huán)境的土壤濕度數據，并且進行監(jiān)控。

反復獲取上述數據進行實時傳輸，單片機內置算法可依據這這些實時數據對系統(tǒng)目前的狀態(tài)進行判斷和操作，并且和系統(tǒng)程序設定的危險值進行比對，如果超過設定值，及時報警。

2 智能雨水收集系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)的總體設計

如圖1所示，整個智能雨水收集再利用系統(tǒng)由核心控制芯片STC15F2K60S2和環(huán)境監(jiān)測模塊、自動灌溉模塊、通知顯示模塊和云服務器組成。

圖1 系統(tǒng)整體設計圖

2.2 系統(tǒng)的程序流程設計

如圖2所示，整個系統(tǒng)可以全天候工作，在初次使用系統(tǒng)時進行初始化操作化后，就會一直處于正常采集數據和判斷是否需要灌溉的工作狀態(tài)，并且不斷將數據傳輸到服務器。實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和可操作化。

3 系統(tǒng)功能

3.1 環(huán)境監(jiān)測功能

通過GY-39四合一氣象站模塊實時采集系統(tǒng)環(huán)境的大氣壓、溫度、濕度和光強數據，該模塊由MAX44009、BME280和MCU高度集合在一塊PCB板上。MAX44009內置光電二極管和ADC，光照強度的變化引起電流的變化，得以實時采集光強數據。BME280則是一款集溫濕度和壓強數據采集為一體的芯片，MAX44009和BME280所采集的數據由該模塊內置的MCU存儲收集，然后通過串口將數據傳輸給STC15F2K60S2單片機，并在系統(tǒng)的顯示屏幕上顯示出來。通過MQ-2氣敏煙霧傳感器采集環(huán)境中可燃氣體濃度加上XZ2-BZY-60遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髋袛喹h(huán)境中是否有明火，如果有及時發(fā)送報警信息。

圖2 系統(tǒng)程序流程設計圖

且可以將上述數據傳輸到云端服務器形成環(huán)境數據變化圖，用戶可以通過APP端、Web端和微信小程序訪問查看。

3.2 自動灌溉功能

主控芯片通過埋在花園土壤里的土壤濕度傳感器采集土壤濕度數據，再根據用戶設定的植物生長所需最低的濕度數據，兩者進行比對，當采集來的數據低于設定值時，單片機給繼電器發(fā)送指令，繼電器處于高電平，水泵通電開始工作，給植物噴灑水，直到土壤濕度超過設定值，單片機給繼電器發(fā)送指令，高電平轉為低電平，水泵斷電停止工作。當出現(xiàn)火災預警時，單片機能利用水泵泵出水池中的水進行噴水滅火操作。

3.3 通知顯示功能

GY-39四合一氣象站模塊所采集的光強、壓強、溫度和濕度數據可以實時顯示在系統(tǒng)的液晶顯示屏上，便于用戶及時查看。而且當用戶不在家中時，用戶也可以直接通過手機查看上述數據和水泵的工作狀態(tài)。當煙霧傳感器檢測到可燃氣體濃度高于危險值且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到明火時，會及時通過報警信息告知用戶。

4 改進與提升

本文設計的智能雨水收集再利用系統(tǒng)雖然達到了我們的設計目的，但是還存在以下的問題。一是本系統(tǒng)所收集的雨水因為只是經過了初步過濾，所以只適用于灌溉，還不能用于生活用水，所以我們下一步的改進方向之一就是提高雨水凈化程度。二是儲水池為了不影響景觀，所以本系統(tǒng)選擇將水池放置在地下，這就造成用戶初期通入的水池成本較大，不利于推廣。