基于水流蓄能的智能水龙头设计

周巧仪 丁柳云 陈佳雨

摘  要：水流蓄能智能水龙头采用在水管中加装微型水力发电机的方式，利用水龙头放水时的水流推动涡轮高速旋转，从而带动导体切割磁场产生电能，并将获得的电能通过锂电池储存起来，为智能水龙头工作提供电源;智能出水设计，采用自感应的方式判断出水和止水，节约用水的同时避免洗手时开关水龙头导致二次污染;设置了手动开启按钮，确保水龙头失电情况下还能照常出水，能源得以循环利用，解决了感应水龙头的供电问题。

关键词：水流蓄能;水力发电;智能;水龙头;节能

中图分类号：TU824        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）13-0046-02

Abstract： The water flow storage intelligent faucet adopts the method of installing a micro hydraulic generator in the water pipe， and uses the water flow of the faucet to push the turbine to rotate at a high speed， thereby driving the conductor to cut the magnetic field to generate electric energy. The obtained electric energy is stored through lithium battery to provide power supply for intelligent faucet work， intelligent effluent design， self-sensing method is used to judge effluent and water stop， save water and avoid secondary pollution caused by turning on and off faucet when washing hands. The manual opening button is set to ensure that the water can be discharged as usual when the faucet loses power， the energy can be recycled， and the power supply problem of the induction faucet is solved.

Keywords： water flow energy storage; hydropower; intelligence; faucet; energy saving

21世纪是节约型社会，节约能源的必要性早已被人们所重视。传统的水龙头的使用是需要手动来调节的，很容易造成水资源的浪费，加之在公共场所使用时，传统水龙头的开关很容易引起二次污染，不利于公共场所的卫生和疾病防控。红外感应自动水龙头是一项包含在建筑节能这个大概念中的科技产品，发达国家已经有经验表明，建筑能耗总量约占社会总能耗的三分之一，最终将超越工业、交通等其它行业居于社会能源消耗的首位。[1]目前市场上的红外感应水龙头可以智能控制水流的开和关，很大程度的起到节水的目的，也解决了公共场所因开关水龙头所导致的二次污染问题[2]。但大多数品牌的感应水龙头工作时，主要依靠干电池或交流电提供電能。当干电池需要更换或者交流供电停电时，感应龙头就无法正常使用了，给维护带来一定的困难。

为了解决这些矛盾，本项目组设计了一种水流蓄能智能水龙头。该项目的创新点在于巧妙地运用智能水龙头开启时的水流来进行发电并存储起来，再供应给红外感应装置和电磁控制装置作为电源输入，提高了能源利用率。

1 工作原理

系统主要由红外感应模块、电磁阀水龙头以及发电蓄能模块构成，系统工作框图如图1所示。红外感应模块接收感应信号，微处理器处理并发出指令，控制电磁阀开启，水龙头打开阀门放水，水流推动水轮转动，同时使铁线圈做切割磁感线运动，从而产生随时间作正弦变化的动生电动势，经过稳压模块输出稳定的直流电能并储存在蓄电池中。设置一个手动开启按钮，确保水龙头失电情况下还能照常出水。当有人进入感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通水龙头，人不离开感应范围，将持续接通，人离开后，延时自动关闭水龙头。

2 电路设计

2.1 红外感应模块

红外感应模块控制电路由红外发射电路、红外接收电路以及信号放大与处理电路组成。该电路由红外线发射接收管采集外界信号，当信号发生改变时，首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后用光电元件将光信号转换成电信号。[3]平时信号输出高电平，通过发射出一定频率的红外线，当有物体进入感应范围（2-30cm）时，物体反射红外线，接受电路接收到反射回来的红外线并进行放大等处理后，信号线输出低电平。模块附设信号指示灯，当有物体进入感应范围时，信号指示灯亮。

2.2 电磁阀水龙头

电磁阀水龙头通过电磁阀控制电路来实现水龙头的自动开关控制。电磁继电器由微型水力发电机变压器从次级输出12V直流电供电，是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关。当红外感应模块探测到有物体进入到探测范围时，低电平信号输入到电磁阀控制电路中，电磁水阀控制电路控制电磁阀开启;反之当物体离开探测范围时，高电平信号输入到电磁阀控制电路中，电磁水阀控制电路控制电磁阀关闭，从而实现水龙头的开闭。

2.3 发电储电部分

本方案采用微型水轮发电机，直流12V稳压输出，可以给蓄电池充电以及红外感应模块和电磁阀水龙头工作等。

储能部分的设计为水轮机输出端经过稳压模块输出一个稳定的12V直流电压，然后通过充电保护模块使直流电压稳定在蓄电池的充电电压范围之内，这样可以保证蓄电池不会因为过充而损坏，保障了充电的安全。[4]储存在蓄电池中的电能可以信号指示灯、电磁阀等负载使用。因为水龙头的使用时间短，故通过水轮机的流量有限，所以发电量有限，锂电池已完全适用，无需采用更大功率的储能装置。考虑到水流蓄能智能水龙头有可能因为长时间未使用而导致电池耗竭的情况，设置了手动开启按钮，在确保水龙头失电情况下还能照常出水的同时，利用水流蓄能为智能水龙头提供了下次开启所需的电能。

3 技术特点

水流蓄能智能化水龙头是利用自来水发电的原理为智能水龙头供电，从而实现对水龙头开关等的智能控制，其创新点主要有：

（1）采用在水管中加装微型水力发电机的方式，利用水龙头放水时的水流推动涡轮高速旋转，从而带动导体切割磁场产生电能，并将获得的电能通过锂电池储存起来。

（2）智能出水设计，超小型感应器位于出水口处，采用自感应的方式判断出水和止水，在使用过程中防止了忘记关水龙头而导致的浪费，同时也能够避免洗手时开关水龙头导致二次污染，清洁卫生。

（3）设置了手动开启按钮，考虑到水流蓄能智能水龙头有可能因为长时间未使用而导致电池耗竭的情况，通过这样的设计在确保水龙头失电情况下还能照常出水的同时，利用水流蓄能为智能水龙头提供了下次开启所需的电能。

4 结束语

本方案的设计從环保与能源利用率方面着手，通过水力发电为感应器提供电能，自产自用，有很高的能源利用率。系统结构简单、成本低廉、占用空间小，并且在应用方面非常灵活，可安装于水龙头、淋浴头、自动冲洗小便池的出水口等处，广泛适用于高档酒店、宾馆、学校集体宿舍、飞机场、地铁站、火车站、以及其他大型购物场所等。随着人们环保与节能意识地不断增强，这一方案将会被人们广泛接受与认可，该产品具有较大的经济社会价值。

参考文献：

[1]宁礼佳.流量可控式红外线感应水龙头控制模块设计[J].节能技术，2013（03）.

[2]杨丽寰.感应式自动水龙头的设计[J].科技展望，2016（05）.

[3]李明，徐向东.传感器故障检测的Poweu神经网络方法[J].热能动力工程，2002（17）.

[4]王书洋，杨冠鲁.一种智能节能型多功能水龙头的设计[J].科技创新导报，2017（03）.