多传感器融合的水质检测分流控制系统设计

唐自霖，易艺，付金松，熊依玲，曹旺，王运辉

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林 541004）

随着社会的发展和人们生活水平的提高，洗手盆在家庭、酒店、学校等场所的卫生间使用广泛。我国是水资源缺乏的国家，在日常生活中，人们应该节约用水，有效地利用水资源。为了达到节约用水的目的，提高对水资源的利用率，可对人们日常生活中洗手后排放水的水质进行检测后再分流，对水质较好的排放水进行回收再用（如用于冲马桶、拖地、浇花等），对水质较差的排放水直接排放到生活污水管道。

现有的洗手盆排水器主要有两种：1）常规的洗手盆排水器，只具有排水功能，一些较干净的洗手水被白白流掉，无法实现回收再用；2）带有机械控制开关的洗手盆排水器，可以通过人工操作方式去控制分流开关，实现对洗手盆排放水的分流和回收再用，但由于没有对洗手盆排放水的水质进行检测，不能实现对洗手盆排放水进行自动控制分流[1-2]。为了解决上述存在的问题，有效地对洗手盆排放水进行回收再用，设计了一种多传感器融合的水质检测和分流控制系统。该系统以nRF52832 作为微控制器，控制浊度传感器、pH 传感器、TDS 传感器和温度传感器进行工作，获取洗手盆排放水的水质参数，然后对这些参数进行分析和处理，根据洗手盆排放水的水质情况，对洗手盆排放水进行分流控制，对水质较好的排放水进行回收再用。

1 系统的组成与原理

多传感器融合的水质检测与分流控制系统主要由传感器检测单元、微控制器、液晶显示模块、按键模块、电磁阀驱动模块、电磁阀和手机组成，其系统组成框图如图1 所示。

图1 系统组成框图

传感器检测单元主要由浊度传感器模块、pH 传感器模块、TDS(总溶解固体)传感器模块、温度传感器模块和液位传感器模块组成[3-6]。为了实现对洗手盆排放水的水质检测与分流控制，采用亚克力板材料制作一个容器，用来接收洗手盆排放的水。浊度传感器安装在容器的内壁，pH 传感器、TDS 传感器和温度传感器均安装在容器的内部，它们都用来检测容器内洗手盆排放水的水质。液位传感器安装在容器的外壁，用来检测容器内洗手盆排放水的液位信息。电磁阀A 和电磁阀B 安装在容器的底部，通过PVC 水管和水管接头与容器底部连接，用来分流洗手盆排放水。

nRF52832 微控制器是水质检测与分流控制系统的主控中心，负责整个水质检测与分流控制系统的管理、处理和控制等任务，它主要控制传感器检测单元进行工作，获取容器内排放水的水质参数和液位信息，然后对这些参数和信息进行分析与处理，以实现对容器内的洗手盆排放水进行分流控制。如果排放水的水质较好，微控制器通过电磁阀驱动模块控制电磁阀A 工作，将容器内的排放水分流给马桶水箱、水桶或其他容器，用于冲马桶、拖地、浇花等；如果排放水的水质较差，微控制器通过电磁阀驱动模块控制电磁阀B 工作，将容器内的排放水分流给下水道，直接排放。用户可以根据需要通过手机端的应用程序输入任务指令，一方面获取容器内洗手盆排放水的水质参数和分流控制信息，另一方面实现对水质检测分流控制系统参数的设置。

2 系统硬件电路设计

系统的硬件电路设计主要包括微控制器模块、传感器检测单元、电磁阀驱动模块和电源模块的电路设计。

2.1 微控制器模块电路设计

微控制器模块主要由nRF52832 微控制器、复位电路、晶振电路、液晶显示模块和按键模块组成。其硬件设计框图如图2 所示。

图2 微控制器模块电路框图

系统的微控制器选用Nordic 公司生产的基于ARM®Cortex®-M4 内核的32 位nRF52832-QFAA 芯片，它的主频可达64 MHz，片内集成有2.4 GHz 收发器、I2C 接口、SPI 接口、UART 接口、ADC、512 kB 的Flash 和64 kB RAM 等丰富的片上资源[7]，能够满足水质检测与分流控制系统的需求。

液晶显示模块采用0.96 寸的OLED 液晶显示模块，通过I2C 通信协议与nRF52832 微控制器进行通信。

按键模块采用轻触按键来实现，轻触按键与nRF52832 微控制器的I/O 相连接。

2.2 传感器检测单元的硬件设计

传感器检测单元的硬件设计主要包括浊度传感器模块电路、pH 传感器模块电路、TDS 传感器模块电路、温度传感器模块电路和液位检测传感器模块电路。

选用TSW-30 浊度传感器对洗手盆排放水的浊度进行检测。TSW-30 浊度传感器利用光学原理，通过溶液的透光率和散射率来测量溶液的浊度。浊度传感器模块的电路原理图如图3 所示。

图3 浊度传感器电路原理图

TSW-30 传感器的内部安装有红外发射二极管D1 和光敏二极管D2，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于水的浑浊程度，水越浑浊，透过的光就越少。用接收端的光敏二极管D2 把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光越多，电流越大。浊度传感器模块用来将TSW-30 浊度传感器输出的电流信号转换为电压信号，然后送给微控制器的片内A/D 进行电压采集，把模拟量转换为数字量，并进行分析与处理，实现洗手盆排放水的浊度检测。

选用雷磁E-201-C 型pH 传感器对洗手盆排放水的pH进行检测。该pH传感器是由玻璃电极和参比电极组合在一起的复合电极，用于测量水溶液的pH，pH 测量范围为0～14，温度测量范围为5～60 ℃[8]。pH传感器模块的电路原理图如图4 所示。

图4 pH传感器模块电路原理图

在图4 中，E-201-C 型pH 值传感器从P1BNC 接口接入pH 传感器模块电路。pH 传感器模块主要用来放大pH 传感器输出的电压信号，然后送给微控制器的片内A/D 进行电压采集，把模拟量转换为数字量，并进行分析与处理，实现对洗手盆排放水的pH检测。

选用DFROBOT 的SKU SEN0244 型TDS 传感器模块和TDS 探头对洗手盆排放水的溶解性固体总量进行检测。该TDS 传感器模块的TDS 测量范围为0～1 000 ppm，输出信号为0～2.3 V 的电压信号，方便与微控制器的片内A/D 进行连接，把模拟量转换为数字量，并进行分析与处理，实现对洗手盆排放水溶解性固体总量的检测。

选用温度传感器DS18B20 来测量洗手盆排放水的温度，实现对洗手盆排放水的水质参数检测进行温度补偿[9]。温度传感器DS18B20 通过单总线通信协议与nRF52832 微控制器进行通信。

选用XKC-Y26A-V 型非接触式液位感应器来测量洗手盆排放水的液位信息。将液位传感器安装在容器的外壁，当容器的洗手盆排放水的液面到达液位传感器的感应区时，液位传感器输出高电平，否则液位传感器输出低电平。液位传感器的输出端与nRF52832 微控制器的I/O 口相连接。液位传感器主要用来检测容器内水的液位是否溢出。

2.3 电磁阀驱动模块的硬件设计

电磁阀驱动模块电路主要由光耦芯片EL357N、二极管和场效应管AOD4184 等器件组成。光耦芯片起隔离作用，nRF52832 微控制器通过控制场效应管的导通与断开来控制电磁阀进行工作，对容器内的洗手盆排放水进行分流。电磁阀驱动模块的电路原理图如图5 所示。

图5 电磁阀驱动模块电路原理图

图5 为一个电磁阀驱动电路原理图，MCU_IOA与微控制器的I/O 口相连接，OUT_A 与电磁阀的控制信号输入端相连接。

2.4 电源模块的硬件设计

电源模块电路主要由稳压芯片LM7805 和AMS 1117-3.3 组成[10]。电源模块电路原理图如图6 所示。

图6 电源模块电路原理图

图6 中，12 V 电池从P1接口输入，12 V 的直流电压分别送给电磁阀驱动模块电路和LM7805 稳压芯片，经过LM7805 稳压芯片进行电压转换后得到+5 V电压，然后分别送给各个电路模块和AMS1117-3.3稳压芯片，从AMS1117-3.3 稳压芯片输出的+3.3 V电压用来给微控制器模块电路供电。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要由微控制器程序设计和手机端的微信小程序设计组成。

3.1 微控制器程序设计

nRF52832 微控制器的软件设计采用模块化设计方法[11]。在Keil uVision5 集成开发环境下，使用C语言来编写各个模块的程序，主要包括蓝牙通讯程序、ADC 驱动程序和液晶显示模块驱动程序等。其主程序流程图如图7 所示。

图7 主程序流程图

3.2 手机端的微信小程序开发

手机端的微信小程序通过GAP（通用访问规范）和GATT（通用属性规范）协议与nRF52832 微控制器建立蓝牙连接，并进行数据传输[12-14]。用户能在手机端的微信小程序上查看洗手盆排放水的水质参数与分流控制信息等各项数据，微信小程序的数据接收界面和应用界面如图8 所示。

图8 微信小程序界面图

4 系统实验测试

为了验证水质检测与分流控制系统，选用亚克力板材料来制作容器，将浊度传感器安装在容器的内壁，pH 传感器、TDS 传感器和温度传感器均安装在容器的内部，选用洗手后的自来水或自来水与洗手液的混合溶液来模拟洗手盆排放水。使用小米TDS 水质检测笔和A52 家贝测水笔作为标准仪器，使用浊度标准溶液作为标准溶液，对研制的水质检测与分流控制系统进行比对测试[15-16]，得到水质检测与分流控制系统的部分参数测量结果如表1-4 所示。

表1 自来水与洗手液混合溶液测量结果

从表1 的测量结果可知，通过水质检测与分流控制系统对自来水与洗手液混合溶液进行检测，水质检测结果的最大相对误差为2.93%；从表2 的测量结果可知，通过水质检测与分流控制系统对自来水与泥土混合溶液进行检测，水质检测结果的最大相对误差为5.17%；从表3 的测量结果可知，通过水质检测与分流控制系统对人们用自来水洗手得到的溶液进行检测，水质检测结果的最大相对误差为4.76%；从表4 的测量结果可知，通过水质检测与分流控制系统与浊度标准溶液进行比对测试，所得浊度标准溶液检测结果的最大相对误差为7.50%；因此，水质检测与分流控制系统具有较高的测量精度和准确度。

表2 自来水与泥土混合溶液测量结果

表3 自来水溶液测量结果

表4 浊度标准溶液测量结果

水质检测与分流控制系统能够根据洗手盆排放水的水质情况控制电磁阀工作，实现分流控制，对水质较好的洗手盆排放水进行回收再利用，对水质较差的洗手盆排放水直接排放到生活污水管道，达到节约用水的目的。

5 结束语

该文以nRF52832 微控制器作为控制和处理核心，结合传感器技术、电子技术和无线通信技术，设计了一种多传感器融合的水质检测与分流控制系统。文中介绍了水质检测与分流控制系统的组成原理，硬件电路和软件设计实现的方法，并对水质检测与分流控制系统进行实验测试。实验结果表明，该水质检测与分流控制系统能够较好地对洗手盆排放水的水质进行检测，实现分流控制，对水质较好的洗手盆排放水进行回收再利用，对水质较差的洗手盆排放水分流到生活污水管道，达到节约用水的目的，为洗手盆排放水的水质检测与分流控制提供了一种参考。