基于物联网的智能雨水收集再利用系统

朱 娜，陈 伟，郭容慧，王志鹏，杨 涵，王素芹

（江苏海洋大学理学院，连云港 222005）

0 引言

地球是个蓝色星球，水资源丰富，但是适用于人类生存的但水资源却很缺乏，就像中国是个严重缺水的国家，而雨水资源很丰富，所以充分利用雨水资源有助于缓解我们缺水的情况，与水资源的重复利用在我国的中西部地区早有先例，但是存在操作繁琐利用率不高的问题。

现如今的社会是智能化的社会，所以本文从雨水收集重复利用和智能化出发，设计了基于物联网的智能雨水收集再利用系统，目的在于提高雨水利用效率，缓解水资源紧张的问题。

1 系统方案选择

1.1 设计构想

利用STC15F2K60S2作为本系统的硬件核心控制芯片，通过环境数据采集传感器采集数据，并将数据传送给单片机，单片机通过无线网模块将数据传送到云端服务器，云端服务器通过自带的算法数据处理包将数据转换成环境变化走势图存储在服务器内，且在下雨时，系统可以通过屋顶的导流管收集雨水，并将收集来的雨水经过多次过滤后存储在地下的水池内，当用户花园的土壤湿度低于植物生长的最低值时，单片机控制水泵工作给花园灌溉，直至土壤湿度符合植物生长需求。且用户可以通过手机的APP、Web和微信小程序访问服务器，查看系统的工作状况和实时数据。

1.2 硬件选择

选用STC15F2K60S2单片机作为核心控制芯片，采用MQ-2气敏烟雾传感器、XZ2-BZY-60远红外火焰传感器、GY-39四合一气象站模块和土壤湿度传感器采集环境数据，通过单片机控制水泵对花园进行灌溉，利用ESP8266模块将环境数据和系统工作状态传送到云端服务器，方面用户进行随时查看了解系统信息。

STC15F2K60S2单片机通过MQ-2气敏烟雾传感器采集环境中可燃气体浓度，并且将浓度传送到云端服务器，形成可燃气体浓度趋势走向图，通过XZ2-BZY-60远红外火焰传感器判断环境中是否有明火，降低火灾发生概率。单片机通过GY-39四合一气象站模块实时采集环境的温湿度、光强和大气压强数据。通过土壤湿度传感器采集植物生长环境的土壤湿度数据，并且进行监控。

反复获取上述数据进行实时传输，单片机内置算法可依据这这些实时数据对系统目前的状态进行判断和操作，并且和系统程序设定的危险值进行比对，如果超过设定值，及时报警。

2 智能雨水收集系统的设计

2.1 系统的总体设计

如图1所示，整个智能雨水收集再利用系统由核心控制芯片STC15F2K60S2和环境监测模块、自动灌溉模块、通知显示模块和云服务器组成。

图1 系统整体设计图

2.2 系统的程序流程设计

如图2所示，整个系统可以全天候工作，在初次使用系统时进行初始化操作化后，就会一直处于正常采集数据和判断是否需要灌溉的工作状态，并且不断将数据传输到服务器。实现系统的智能化和可操作化。

3 系统功能

3.1 环境监测功能

通过GY-39四合一气象站模块实时采集系统环境的大气压、温度、湿度和光强数据，该模块由MAX44009、BME280和MCU高度集合在一块PCB板上。MAX44009内置光电二极管和ADC，光照强度的变化引起电流的变化，得以实时采集光强数据。BME280则是一款集温湿度和压强数据采集为一体的芯片，MAX44009和BME280所采集的数据由该模块内置的MCU存储收集，然后通过串口将数据传输给STC15F2K60S2单片机，并在系统的显示屏幕上显示出来。通过MQ-2气敏烟雾传感器采集环境中可燃气体浓度加上XZ2-BZY-60远红外火焰传感器判断环境中是否有明火，如果有及时发送报警信息。

图2 系统程序流程设计图

且可以将上述数据传输到云端服务器形成环境数据变化图，用户可以通过APP端、Web端和微信小程序访问查看。

3.2 自动灌溉功能

主控芯片通过埋在花园土壤里的土壤湿度传感器采集土壤湿度数据，再根据用户设定的植物生长所需最低的湿度数据，两者进行比对，当采集来的数据低于设定值时，单片机给继电器发送指令，继电器处于高电平，水泵通电开始工作，给植物喷洒水，直到土壤湿度超过设定值，单片机给继电器发送指令，高电平转为低电平，水泵断电停止工作。当出现火灾预警时，单片机能利用水泵泵出水池中的水进行喷水灭火操作。

3.3 通知显示功能

GY-39四合一气象站模块所采集的光强、压强、温度和湿度数据可以实时显示在系统的液晶显示屏上，便于用户及时查看。而且当用户不在家中时，用户也可以直接通过手机查看上述数据和水泵的工作状态。当烟雾传感器检测到可燃气体浓度高于危险值且火焰传感器检测到明火时，会及时通过报警信息告知用户。

4 改进与提升

本文设计的智能雨水收集再利用系统虽然达到了我们的设计目的，但是还存在以下的问题。一是本系统所收集的雨水因为只是经过了初步过滤，所以只适用于灌溉，还不能用于生活用水，所以我们下一步的改进方向之一就是提高雨水净化程度。二是储水池为了不影响景观，所以本系统选择将水池放置在地下，这就造成用户初期通入的水池成本较大，不利于推广。