摘 要：當(dāng)前，貴州省內(nèi)眾多鄉(xiāng)村的飲水工程普遍采用將飲用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式。在這一過程中，蓄水池泵入水量過多導(dǎo)致溢出、泵入水量過少導(dǎo)致飲用水供給不足的問題頻發(fā)，給村民的生活帶來不便的同時，還造成水和電力資源的嚴(yán)重浪費。針對此問題，研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控與自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水位監(jiān)測與控制節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)三個核心部分構(gòu)成，能夠提升鄉(xiāng)村飲水工程的運行管理效率，減少人工操作成本，有效預(yù)防因蓄水不足或過多所造成的缺水風(fēng)險和資源浪費，對提升鄉(xiāng)村飲水安全水平和水資源管理效能具有重要的實踐意義。

關(guān)鍵詞：ESP32；液位檢測；泵入控制；LoRa；數(shù)據(jù)存儲；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

鄉(xiāng)村飲水安全是關(guān)乎群眾生活的重大民生議題。當(dāng)前，貴州省內(nèi)眾多鄉(xiāng)村的飲水工程普遍采用將飲用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式。但蓄水池在使用過程中，其泵入水量的多少需要專人進行管理與控制。為了避免因水位過低導(dǎo)致飲用水供給不足，或水位過高導(dǎo)致溢出，造成水和電力資源浪費的問題，需要實時監(jiān)測水池中的水位，實現(xiàn)智能泵入和液位控制[1]。因此，本文提出并設(shè)計了一套以ESP32主控芯片為核心，結(jié)合液位檢測傳感器、繼電器和其他外設(shè)的智能泵入和液位控制系統(tǒng)。

1 功能需求

本文設(shè)計的系統(tǒng)覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層到應(yīng)用服務(wù)層的軟硬件設(shè)計。在感知控制層，需要實現(xiàn)液位自動檢測、水泵根據(jù)液位變化自動啟停的功能；在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，需要實現(xiàn)液位檢測數(shù)據(jù)和控制指令的可靠傳輸；在應(yīng)用服務(wù)層，需要利用配套的手機APP實現(xiàn)雙向通信并控制感知層的水泵和自動檢測設(shè)備。本文進一步引入遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建了一個供水系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)，使得監(jiān)控人員只需在中控室，便能動態(tài)掌握區(qū)域水資源的變化及利用情況，了解各個區(qū)域水池的液位狀態(tài)和水泵工作狀態(tài)。此外，當(dāng)供水系統(tǒng)發(fā)生故障時，監(jiān)控人員可以依據(jù)顯示的數(shù)據(jù)進行故障分析，最大限度提高供水系統(tǒng)工作效率[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)包括水位監(jiān)測與控制節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點、應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)三個部分，如圖1所示。

水位監(jiān)測與控制節(jié)點：主要由電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器及水泵組成。其中，電阻傳感器負(fù)責(zé)實時監(jiān)測水位變化，并將數(shù)據(jù)傳送給ESP32主控芯片。該節(jié)點利用LoRa無線通信技術(shù)將采集到的液位數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)[3-4]。同時，ESP32主控芯片根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值控制繼電器開關(guān)，從而自動調(diào)節(jié)水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)液位的實時自動檢測和水泵的自動控制。

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點：由于鄉(xiāng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋可能存在局限性，所以選用LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸[5-6]。水位監(jiān)測與控制節(jié)點利用LoRa無線通信技術(shù)將采集到的液位數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，同時接收來自網(wǎng)關(guān)的控制指令，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)：主要包括云服務(wù)器端和手機APP客戶端兩部分。云服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收、存儲、處理并通過LoRa網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制指令；手機APP則為用戶提供友好的操作界面，用戶可以隨時隨地查看水池實時液位數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)記錄，并根據(jù)實際情況遠(yuǎn)程操控水泵啟停，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的雙向通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 水位監(jiān)測與控制節(jié)點

水位監(jiān)測與控制節(jié)點是整個系統(tǒng)的核心部分。在硬件設(shè)計方面，水位監(jiān)測與控制節(jié)點主要由電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器、水泵、LoRa無線通信模塊、電源等組成，其硬件設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

水位監(jiān)測與控制節(jié)點的驅(qū)動程序流程如圖3所示。該節(jié)點的具體工作流程如下：

（1）液位監(jiān)測：電阻傳感器被部署于高位蓄水池內(nèi)，它能夠持續(xù)測量水位的高度，并將這些精確的液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號。

（2）數(shù)據(jù)處理與控制決策：ESP32主控芯片獲取到液位信號后，對這些信號進行解析和處理，將其轉(zhuǎn)換成可識別的液位信息。基于液位信息，ESP32會發(fā)出相應(yīng)的信號驅(qū)動繼電器閉合，或通過控制水泵的開關(guān)來開啟或關(guān)閉水泵[7]。根據(jù)預(yù)先在ESP32中設(shè)定的高低水位閾值，當(dāng)檢測到水位低于低位閾值時，ESP32會發(fā)出指令，驅(qū)動繼電器閉合，啟動水泵開始注水；當(dāng)水位上升至接近高位閾值時，ESP32會控制繼電器斷開，關(guān)閉水泵，以確保水池水位始終處于設(shè)定范圍之內(nèi)[8-9]。

（3）無線數(shù)據(jù)傳輸：除了實現(xiàn)本地控制，ESP32還能通過集成的LoRa模塊，將實時采集的液位數(shù)據(jù)以及設(shè)備（如水泵）的工作狀態(tài)信息通過低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）穩(wěn)定可靠地發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)。

2.2 LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性，該系統(tǒng)特別選用了具備跳頻抗干擾能力、遠(yuǎn)距離通信能力和強大穿透能力的LoRa模組[10]。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為該系統(tǒng)的重要組成部分，起到連接水位監(jiān)測與控制節(jié)點和中央服務(wù)器或云平臺的作用。該節(jié)點負(fù)責(zé)接收來自LoRa終端設(shè)備發(fā)送的無線信號，并將這些設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)打包并通過Internet網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至云端服務(wù)器[11]。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件構(gòu)成包括LoRa射頻模塊、ESP32微處理器、電源等，如圖4所示。

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點在本系統(tǒng)中的工作流程如下：

（1）數(shù)據(jù)接收：LoRa網(wǎng)關(guān)具備較強的接收靈敏度和較遠(yuǎn)的傳輸距離，能夠有效地收集水位監(jiān)測與控制節(jié)點利用LoRa無線通信技術(shù)發(fā)送的液位數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)信息。即使在地形復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件較差的鄉(xiāng)村地區(qū)，也能確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

（2）數(shù)據(jù)匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)：LoRa網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)進行匯總處理，然后通過ESP32 WiFi模塊將這些信息上傳至云服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)終端設(shè)備與云端平臺之間的數(shù)據(jù)交互[12]。

（3）控制指令下發(fā)：當(dāng)云端平臺根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出新的控制決策時，會通過LoRa網(wǎng)關(guān)將控制指令下達(dá)到各個水位監(jiān)測與控制節(jié)點，例如調(diào)整預(yù)設(shè)的液位閾值、更新設(shè)備工作模式等，控制流程如圖5所示。

2.3 應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)

云服務(wù)器端功能如下：

（1）數(shù)據(jù)接收與處理：云服務(wù)器端需要配置相關(guān)軟件服務(wù)，接收并處理來自LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的各水位監(jiān)測與控制節(jié)點的數(shù)據(jù)，包括但不限于實時液位數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息等。

（2）指令下發(fā)與設(shè)備控制：根據(jù)用戶通過手機APP端發(fā)出的操作指令，或系統(tǒng)自動觸發(fā)的規(guī)則引擎，云服務(wù)器端需要將控制指令通過LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送到對應(yīng)的水位監(jiān)測與控制節(jié)點，實現(xiàn)對水泵等設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

（3）告警與通知服務(wù)：當(dāng)檢測到液位異常、設(shè)備故障等情況時，云服務(wù)器端應(yīng)立即觸發(fā)告警機制，通過郵件、短信、APP推送等多種方式通知相關(guān)管理人員，并記錄告警事件以供后續(xù)追蹤和分析。

手機APP客戶端功能如下：

（1）實時監(jiān)控界面：APP提供友好、直觀的用戶界面，使用戶能夠隨時隨地查看各個水池的實時液位數(shù)據(jù)以及設(shè)備的工作狀態(tài)。

（2）" 歷史數(shù)據(jù)查詢：用戶能通過APP查閱歷史水位記錄，查看趨勢圖或下載數(shù)據(jù)報表，以便掌握水資源使用規(guī)律和設(shè)備運行狀況。

（3）遠(yuǎn)程控制功能：用戶可以直接在APP上遠(yuǎn)程控制水泵等設(shè)備的啟停，以及設(shè)置相關(guān)的液位閾值，實現(xiàn)對飲水工程設(shè)施的靈活管控。

（4）個性化設(shè)置與通知提醒：APP允許用戶自定義液位報警閾值[13]、定時任務(wù)等，并在出現(xiàn)異常情況時及時推送消息通知用戶。

監(jiān)控系統(tǒng)采用APP Inventor框架[14]進行開發(fā)，其主要功能包括用戶登錄、接收LoRa網(wǎng)關(guān)上報的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲以及在手機端界面上顯示液位檢測節(jié)點的狀態(tài)等功能。手機APP遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文針對鄉(xiāng)村飲水安全這一重大民生問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時液位監(jiān)測與自動控制的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水位監(jiān)測與控制節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點及應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，形成了一條從感知層到應(yīng)用層的完整鏈路。

水位監(jiān)測與控制節(jié)點集成了電阻傳感器、ESP32主控芯片、繼電器以及水泵，成功實現(xiàn)了水位的實時自動檢測和水泵的自動控制。借助LoRa低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，該節(jié)點能夠?qū)⒉杉降囊何粩?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，有效解決了鄉(xiāng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋受限的難題，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了云服務(wù)器和手機APP客戶端的優(yōu)勢，使得管理部門能夠?qū)崟r接收、存儲和處理液位數(shù)據(jù)。同時，用戶可通過APP便捷地查看水池實時液位信息和歷史記錄，并根據(jù)實際需求遠(yuǎn)程操控水泵啟停，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的雙向通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。ESP32主控芯片因其低功耗、高性能的特點，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益廣闊。經(jīng)過實驗測試，該系統(tǒng)能夠?qū)︵l(xiāng)村蓄水池水位環(huán)境信息實現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測，且便于遠(yuǎn)程查看信息，對工業(yè)應(yīng)用有一定的價值[15]。

綜上所述，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時液位監(jiān)測與泵入控制系統(tǒng)不僅提升了鄉(xiāng)村飲水工程的自動化管理水平，有效節(jié)約了水資源，也極大地提高了供水效率和飲水安全性。未來將繼續(xù)致力于優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴大應(yīng)用規(guī)模，并針對不同地域的特點和需求進行適應(yīng)性改造，力求在更大范圍內(nèi)推廣這一創(chuàng)新成果，助力我國鄉(xiāng)村飲水安全建設(shè)與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的深入推進。

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