郭紅英，林梅燕

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州 363000；2.陽光學(xué)院，福建福州 350015)

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，節(jié)約水資源、保護(hù)水生態(tài)已引起了政府及民眾的重視.但多數(shù)人在挑選馬桶時(shí)主要看重的仍是馬桶沖水能力以及款式價(jià)格.對(duì)于國外的高科技智能馬桶因其高昂的價(jià)格普通民眾無法受用.普通的馬桶水箱的水流控制方法多是機(jī)械式而且無漏水檢測(cè)及提醒功能[1-2]，一般家庭發(fā)現(xiàn)馬桶漏水的主要途徑是馬桶流水聲音的異常，而在公共場(chǎng)合，密閉式抽水馬桶漏水只能通過超額的水費(fèi)單或是定期的檢查才能發(fā)現(xiàn)異常.為了解決這些問題本文提出一種低功耗、低成本的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)擬定的方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件程序，進(jìn)行節(jié)水馬桶水箱漏水檢測(cè)儀整體的連接調(diào)試.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)由水流、液位傳感器采集模塊、漏水檢測(cè)模塊、顯示模塊、GSM無線報(bào)警模塊與主控模塊五大模塊構(gòu)成，如圖1所示.主控模塊以STM32F1038T6為主控芯片，處理各模塊傳送來的信息數(shù)據(jù)；水流傳感器采集模塊及漏水檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的信息傳送至主控模塊，由該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；顯示模塊接收來自主控模塊傳送來的水流信息及漏水情況并顯示在LCD屏上，同時(shí)也顯示GSM模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)；GSM報(bào)警模塊，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到漏水或水流信息異常時(shí)，由主控模塊判定是否超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，若判定超過則立刻觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并發(fā)送指令啟動(dòng)GSM無線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)信息以短信的形式發(fā)送至客戶手機(jī)端，提醒用戶及時(shí)維修更換.

圖1 結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block Diagram of Structure

1.2 水流、液位傳感器檢測(cè)模塊

水流傳感器采用霍爾水流傳感器，其特點(diǎn)是采用德國不漏水的灌封膠封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，葉輪內(nèi)部轉(zhuǎn)軸材質(zhì)耐磨，防水性及抗老化強(qiáng)，低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，外觀小巧，便于安裝.霍爾水流傳感器的電路設(shè)計(jì)圖2所示，水流量傳感器需5 V電源供電，水流流經(jīng)水流傳感器帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生占空比約為50%的電脈沖，當(dāng)引腳OUT輸出高電平，開關(guān)管T0管導(dǎo)通，集電極PA0輸出低電平；當(dāng)無水流時(shí)轉(zhuǎn)子沒有切割磁感線，霍爾元件無電壓輸出，引腳OUT輸出低電平，開關(guān)三極管截止，集電極輸PA0出高電平.如此將水流信息經(jīng)PA0口采集至STM32M.根據(jù)廠家數(shù)據(jù)4分入水口傳感器1L流量的脈沖數(shù)約為1560個(gè)脈沖，因此通過的計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)便可估算出水流容量，方便用戶根據(jù)水箱大小調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)閾值.

圖2 霍爾水流傳感器電路Fig.2 Electric Circuit of Hall Water Flow Sensor

液位檢測(cè)采用投入式液位變送器傳感器，其工作原理是被測(cè)液體靜壓與高度成正比，采用傳感器將靜壓轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)補(bǔ)償修正后輸出4～20 mA的DC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0～5V的DC電壓信號(hào).針對(duì)馬桶容量選擇傳感器工作參數(shù)為：測(cè)量量程0～0.5 m，工作電壓12 VDC.為獲得穩(wěn)定的電壓信號(hào)采用了OPA237電壓跟隨器，如圖3所示，輸出電壓為0～5 VDC，STM32的(12位)AD采集參考電壓取3.3 V,節(jié)水型水箱內(nèi)部尺寸為：水位高15 cm,長29 cm，寬10 cm，考慮傳感器誤差小于2%，取水箱容量計(jì)閾值約為4 400 mL(脈沖總數(shù)為6 864)， 由于傳感器為線性，液位及容量與輸出電壓成正比，則傳感器的輸出電壓范圍為0～1.5 VDC，在AD采集的參考電壓值范圍之內(nèi). 液位與容量關(guān)系如公式(1)、流量計(jì)數(shù)器初始值脈沖數(shù)與容量關(guān)系如公式(2)，其中AD_data為液位AD采集的值；AD_max是水箱停止注水時(shí)液位(15 cm)的AD采集數(shù)值，該值可在初始化過程中測(cè)得；int_Data_h是霍爾水流傳感器脈沖計(jì)數(shù)器.

圖3 液位檢測(cè)Fig.3 Liquid Level Detection

(1)

int_Data_h=1 560÷1 000×V液位容量

(2)

1.3 漏水檢測(cè)模塊

漏水傳感器采用Water Sensor，這是一款簡單易用、性價(jià)比高的水位/水滴識(shí)別檢測(cè)傳感器.通過一系列暴露的平行導(dǎo)線線跡測(cè)量其水滴/水量大小從而判斷水位，輕松完成水量到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換,低成本、低功耗和高靈敏度，還可直接與微處理器或其他邏輯電路相連，使用方便[3-5].漏水檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示.管腳S代表信號(hào)輸出管腳“+”代表VCC電源正極，管腳“-”代表GND電源負(fù)極，管腳1連接1KΩ限流電阻R3再與STM32單片機(jī)PB1口連接，輸入低電平信號(hào)，管腳2與單片機(jī)VCC(3.3 V)腳連接，為水位傳感器工作電源正極，3號(hào)管腳與單片機(jī)GND引腳連接，為電源接地.在當(dāng)該水位、水滴傳感器接觸到水，傳感器上的導(dǎo)線形成短路，輸出一個(gè)低電平信號(hào)至主控MCU，當(dāng)主控MCU接收到發(fā)送來的低電平信號(hào)時(shí)則判定為漏水，通過發(fā)送AT指令至GSM模塊，由GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信至用戶手機(jī)端并啟動(dòng)蜂鳴器聲音報(bào)警，完成馬桶水箱外部的漏水警報(bào).

圖4 水滴傳感器實(shí)物及電路Fig.4 Water Drop Sensor and the Electirc Circuit

1.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊，采用Nokia5110 LCD液晶顯示作為節(jié)水馬桶水量檢測(cè)儀的顯示模塊.Nokia5110 LCD是一個(gè)84x48像素點(diǎn)，可顯示15個(gè)漢字30個(gè)字符，其性價(jià)比較高、成本低、接口簡單僅四根I/O線即可驅(qū)動(dòng)具有掉電模式、體積45 mm×45 mm×5 mm、采用低電壓供電、工作電流小于200 uA.模塊化設(shè)計(jì)與STM32主控器采用SPI接口通信，通信傳輸速率可高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)無需等待時(shí)間，安裝和更換簡便，如圖5為Nokia5110 LCD顯示電路圖.

1.5 GSM報(bào)警模塊

GSM報(bào)警模塊采用SIM800C模塊.SIM800C是一款高性能高性價(jià)比的四頻GSM/GPRS模塊，為城堡孔封裝，性能穩(wěn)定，外觀小巧.SIM800C工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，適用于各類緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，更新?lián)Q代也十分方便[6-8].GSM模塊與STM32單片機(jī)的通信采用串口協(xié)議，TTL電平控制接口，可以直接與單片機(jī)串口進(jìn)行連接.GSM模塊電路圖6所示，模塊的TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機(jī)的PA3口和PA2口連接實(shí)現(xiàn)串口通信.

圖6 SIM800C電路Fig.6 Electric Circuit of SIM800C

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序首先將系統(tǒng)各個(gè)模塊初始化，SIM800C模塊插上SIM卡后開始工作，該模塊正常工作后采集模塊開始工作并且顯示模塊LCD顯示屏上顯示水流信息.STM32工作業(yè)于睡眠模式，當(dāng)有外部中斷時(shí)被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中外部中斷源有水流檢測(cè)模塊、漏水檢測(cè)模塊、按鍵檢測(cè)，主函數(shù)工作流程如圖7所示.

2.1 故障檢測(cè)中斷子程序

系統(tǒng)設(shè)有四個(gè)外部中斷，分別是水流檢測(cè)外部中斷1、漏水檢測(cè)外部中斷2、按鍵檢測(cè)外部中斷3、排水按鍵檢測(cè)中斷4，如圖所示.外部中斷1設(shè)下降沿觸發(fā)工作模式，當(dāng)有水流流動(dòng)切割磁感線時(shí)霍爾傳感器將輸出相應(yīng)的脈沖激活外部中斷，每次計(jì)數(shù)前判斷是否按下排水鍵，有排水則啟動(dòng)液位檢測(cè)，將液位檢測(cè)值換算成容量值賦給流量計(jì)數(shù)器，清除排水標(biāo)志后啟動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過正常閾值時(shí)說明馬桶存在漏水，水位達(dá)不到停止注水閾值，故障標(biāo)志置1，若未發(fā)送GSM短信則發(fā)送GSM短信，最后刷新LCD顯示數(shù)據(jù)，工作流程如圖7(b)所示.外部中斷2設(shè)低電平觸發(fā)模式，當(dāng)出現(xiàn)漏水時(shí)，傳感器輸出低電平觸發(fā)漏水中斷，為避免在故障排除前重復(fù)觸發(fā)，在發(fā)送GSM短信后關(guān)閉漏水中斷直到故障排除，工作流程如圖7(c)所示.按鍵外部中斷3、4設(shè)低電平觸發(fā)模式，當(dāng)故障排除完畢后按下解除鍵，將故障標(biāo)志、GSM發(fā)送標(biāo)志清零并重新開啟漏水中斷；當(dāng)排水鍵按下時(shí)將排水標(biāo)志位置1并延時(shí)3秒待水箱排水完畢，工作流程如圖7(d)所示.

圖7 軟件流程圖：(a)主函數(shù)；(b) 水流量檢測(cè)中斷；(c)漏水中斷；(d)按鍵中斷Fig.7 Software Flow Chart: (a) Main Function; (b) Water Flow Detection Interruption; (c) Water Leakage Interruption; (d) Key Interruption

2.2 GSM子程序

GSM短信報(bào)警模塊軟件系統(tǒng)開始工作.先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，在主控模塊檢測(cè)到漏水是通過串口將漏水信息傳送至GSM模塊，之后進(jìn)行通信.通過串口發(fā)送AT指令“AT+CMGF=1”，設(shè)置短信模式txt模式.當(dāng)GSM模塊無法進(jìn)行正常工作時(shí)顯示“AT+CMGF=1 error”表示不在正常工作狀態(tài)，處于正常工作狀態(tài)時(shí)顯示“AT+CMGF=1 OK”.通過發(fā)送AT指令“AT+CMGS=18760667072”指令到指定手機(jī)號(hào)上.再通過串口發(fā)送字符串，即為報(bào)警短信內(nèi)容.最后串口發(fā)送0x1a，置位GSM發(fā)送標(biāo)志及故障標(biāo)志后返回.GSM報(bào)警短信發(fā)送的流程如圖8所示.

圖8 GSM子程序流程Fig.8 Subprogram Flow of GSM

3 系統(tǒng)測(cè)試

如圖9所示，將各模塊與STM32系統(tǒng)連接.首先在接通電源之前先將SIM卡以正確方向插入卡槽中，再接上5 V電源，此時(shí)可看到主控模塊工作燈亮起(紅色)，GSM模塊右上角工作燈(紅色)亮起，左上角網(wǎng)絡(luò)燈(藍(lán)色)亮起并處于快速閃爍狀態(tài)，LCD顯示屏亮起并顯示所有待測(cè)量為零.當(dāng)LCD顯示屏上出現(xiàn)“AT+CMGD=1 OK”，則說明SIM卡插入成功GSM模塊工作正常，可以進(jìn)行工作.LCD顯示屏上顯示“W”為預(yù)設(shè)定的水箱容量(mL).“WP”為流量傳感器測(cè)得的水位容量(mL).“WA”為累積的漏水容量值(mL).LCD顯示屏初始化完畢，開始工作狀態(tài).取節(jié)水型水箱尺寸為：水位高15 cm，長29 cm，寬10 cm，考慮液位傳感器誤差小于2%，預(yù)設(shè)定正常水容量為4 400 mL，霍爾計(jì)數(shù)器值超過此設(shè)定值則可判為馬桶內(nèi)部出現(xiàn)漏水，若未發(fā)出任告警則發(fā)送GSM短信告知用戶，發(fā)送成功后相關(guān)標(biāo)志位置零.對(duì)于不同規(guī)格的馬桶水箱只需要調(diào)整預(yù)設(shè)值W便可，使用方便快捷.

圖9 連接測(cè)試圖Fig.9 Diagram of Connection Testing

4 結(jié)語

此設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6芯片為控制中心，通過霍爾水流傳感器采集水流量的信息，且可根據(jù)水箱具體情況調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值，應(yīng)用靈活.同時(shí)增加馬桶外漏水檢測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)馬桶水量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，反饋問題.此外，STM32功耗低，擁有豐富的接口資源，方便各類智能家居服務(wù)的擴(kuò)展應(yīng)用，有利于產(chǎn)品的推廣使用.