基于物联网的智能用水监管系统

摘 要：设计了一款基于物联网的智能用水监管系统，该系统由用水信息采集板卡、微信小程序和OneNET物联网云平台组成。系统采用STM32G070CBT6作为主控芯片，通过水质检测模块、水流量模块、电磁阀模块、ESP8266-01S WiFi模块和OneNET云平台大数据分析技术实现了用水信息实时监管、监控用水数据记录和漏水预警等功能。该系统可以检测水质、水温、用水总量、实时水流量等用水信息，并将数据实时传输至云平台，方便用户可以通过微信小程序实现数据的远程监控。系统根据用水信息分析，可以实现漏水预警功能。当收到漏水预警时，用户可以远程关闭进水总阀门，从而避免家庭漏水事故的发生。本文提出的智能用水监管系统具有一定的创新性和实际应用价值，对于家庭健康饮水和家庭水资源管理具有重要的意义。

关键词：物联网；智能用水；水质检测；漏水预警；远程控制；云平台

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

供水公司往往只关注家庭用水总量和供水水质，对于家庭漏水、入户水质并不检测和反馈，并且当前供水公司使用的水表只能够给用户提供一个总体用水量。然而，家庭用水常常伴随着水管破裂、停水时打开龙头而忘记关闭、马桶偷偷漏水等问题，不但造成水资源的浪费，还会给用户带来重大财产损失[1]。在供水企业运营中，减少供水的漏失率，不但能充分利用水这种不可再生的资源，有利于社会的可持续发展，而且能够提高水行业的经济效益[2]。世界卫生组织权威调查表明：全世界80%的疾病和饮水污染有关。所以用户有必要知道更多用水信息，关注水质情况，做到安全用水，健康饮水。

随着移动互联网的普及和提速，家居生活也在向着智能化方向发展。随着人民生活水平的提高，家庭用户进入消费升级阶段，消费者更加重视生活品质[3]。围绕智能家居理念的家电产品越来越多地渗透进家庭中。在当前全球能源紧张的大环境下，如何实现一个高效节能、绿色环保的家居环境已经成为当前智能家居领域研究的热点之一[4]。因此对家庭用水过程中所遇到的漏水、水质检测等问题进行总结分析，综合运用物联网技术，设计了一种基于物联网的智能用水在线监管系统。系统包括下位机、OneNET云平台、微信小程序三大部分。下位机以STM32G070CBT6作为主控芯片，结合水质检测模块、水流量模块、水压力检测模块、电磁阀控制模块、ESP8266-01S WiFi模块和OneNET云平台，通过实时监管和记录用水信息、反馈是否漏水等信息，实现了用水流量检测、用水总量监测、饮用水水质监测、漏水预警、远程控制进水总阀门等功能。同时，用户可以通过微信小程序获取水流量、用水总量、TDS值和预警值等相关数据，实现数据的远程监测。

1 系统设计

系统总体结构如图1所示，由下位机、云平台与微信小程序三大部分构成。下位机是整个系统的核心部分，主要由 STM32G070CBT6控制器、水流量检测模块、ESP8266-01S WiFi模块、电磁阀控制模块、温度检测模块、TDS检测模块、LCD显示模块、按键控制模块等组成。下位机的主要作用是实现对用水信息的全面监测和漏水预警功能。通过流量传感器实时监测水流量大小，对其进行积分运算可得用水总量；根据单次用水时长判断是否出现漏水。通过TDS水质检测模块实时采集自来水TDS值，并通过温度传感器测得当前水温，以补偿温度对TDS测量结果的影响。云平台主要实现数据存储和上位机显示。所有数据经过STM32G070CBT6处理打包之后，通过ESP8266-01S WiFi模块按照MQTT协议发送至物联网OneNET云平台。微信小程序实时从OneNET云平台通过MQTT协议获取数据进行展示。当小程序收到系统发出的漏水预警时，用户则可以通过小程序远程发送关闭进水总阀门的控制指令至下位机，STM32G070CBT6解析相应命令，控制进水电磁阀门关闭，从而避免漏水事故发生。

2 硬件设计

系统采用STM32G070CBT6单片机作为主控，电路系统包括TFT显示模块、WiFi通信模块、流量计、复位电路、水质检测模块、电源模块、蜂鸣器模块、电磁阀控制模块、按键控制模块与工作指示灯。由于篇幅有限，这里仅对主控芯片、水质检测电路、流量计、WiFi模块、电磁阀模块、电源电路进行介绍。

2.1 主控芯片

STM32G070CBT6是ST（意法半导体）公司生产的主流微控制器，基于高性能ARM®Cortex®-M0+32位RISC内核，工作频率高达64 MHz，适用于消费者、工业和家电领域，并为物联网（IoT）解决方案做好了准备[5]。因此，选择STM32G070CBT6作为整个系统的主控芯片。该芯片是连接流量传感器、TDS检测传感器、LCD显示模块和电磁阀模块协调工作的关键。该芯片通过其定时器捕获的功能测得流量传感器的脉冲频率，并将脉冲转化为流量数据；通过该芯片的ADC通道实时获取采样电阻电压，并转换为TDS值；获取到数据后可以通过LCD屏幕将实时流量、用水总量和水质TDS值直观地显示在家庭用户面前。通过该芯片的通用定时器计时的方式来判断是否出现了家庭漏水情况。

2.2 电源模块

系统采用220 V交流输入且12 V、1 A直流输出的电源适配器作为输入电源。12 V电源直接为电磁阀和流量计供电。12 V输入电压经过XL1509-5.0 DC-DC降压芯片降至5.0 V，如图2所示。5 V电压经过两片LM1117-3.3 V LDO模块降至

3.3 V，分别为ESP8266和主控制器供电等电路模块提供电源。

2.3 水质TDS检测电路

饮用水TDS检测目前都是采用探针测量的方式[6]，总溶解固体（TDS）是指水中所有溶解的无机和有机物质的总量。通过使用特定电极测量水样电导率并将结果转化为TDS值[7]，将探针置于水中，施加直流脉冲激励信号，从而使探针两端实现交变的直流电压，测定探针两极电压，计算出水的TDS值。但是这种方式下需要长期在探针两端加入同一方向的电压，容易产生寄生电容，会使得测量结果不准确。本文设计了一种对称的正反TDS测定方法。将探针的一个电极通过精度为1%的采样电阻连接至MCU的输出口；另一个电极也通过采样电阻连接至MCU的另一个输出口。这样就可以实现交变信号，有效地避免极化效应和电容效应。

2.4 流量检测传感器

流量传感器的工作电压为12 V。该传感器使用简单，只须串联在供水管道中，传感器就会输出脉冲信号，该信号与STM32G070CBT6处理器的PA8接口相连接，可以通过定时器的捕获模式准确计数脉冲。

2.5 显示模块

系统显示模块采用1.8寸LCD显示屏，与主控制器采用SPI方式通信，可以达到非常高的像素密度和分辨率，使得图像更加细腻、清晰、真实[8]。在本系统中，TFT液晶显示屏主要用来显示家庭用水的水质、用水量、实时流量、漏水预警情况等信息。

2.6 WiFi通信模块

本设计采用ESP8266-01S WiFi通信模块实现下位机与OneNET云平台之间的通信。主控制器获取的用水数据通过ESP8266发送至中国移动OneNET物联网云平台；同时，ESP8266接收到来自用户通过云平台下发的控制指令，并将控制指令转发至下位机控制器，从而实现电磁等设备的远程控制。

2.7 电磁阀控制模块

电磁阀采用12 V的水用常闭电磁阀门，最大水压为0.7 MPa，一般家用自来水的水压大致在0.2～0.5 MPa之间，完全可以满足家庭用户的要求。该水用电磁阀门使用简单，只需要将其串联在家庭供水管道手动总控制阀门之后即可。

3 系统软件设计

系统软件主要包括下位机软件设计和上位机微信小程序设计。下位机系统程序主要包括系统初始化程序和核心引用程序两大部分。本系统下位机程序采用STM32CubeMX和Keil软件开发。通过STM32CubeMX图形化代码生成工具，完成STM32G070芯片外设的初始化，核心应用代码采用Keil软件开发。

3.1 系统初始化

STM32G070芯片初始化包括系统时钟初始化，以及GPIO、ADC、定时器1、定时器6、定时器7、串口1、串口2等所用到外设的初始化。

3.2 下位机应用设计

下位机核心应用程序主要包括数据采集程序、漏水预警程序、数据显示程序、数据上传程序、指令接收程序。采用C语言设计，基于Keil环境开发。

3.2.1 数据采集处理程序

数据采集程序主要实现流量传感器数据采集和水质数据采集。流量传感器输出信号为脉冲信号，通过定时器1的捕获输入模式，捕获外部脉冲并对其计数，可以提高脉冲计数的准确度。

水质TDS数据采集程序流程如图3所示。采用双极性方波进行检测，它是一种周期性方波，具有两个方向的电平变化，可以提高信号测量的精度和准确性[9]。首先在若干毫秒内，TDSC1输出100 Hz的脉冲信号，TDSC2输出低电平，电流方向由TDSC1流向TDSC2。启动TDS_ADC1和TDS_ADC2进行电压采样并转换，采集电极两端的电压。在若干毫秒后，TDSC2输出100 Hz的脉冲信号，TDSC1输出低电平，电流方向由TDSC2流向TDSC1。启动TDS_ADC1和TDS_ADC2进行电压采样与转换，再次采集电极两端的电压。对于两次采样的电压求平均值然后计算处理可得到水质TDS值。

3.2.2 漏水预警程序

当有流量通过时，STM32G070的定时器6开始计时，一旦计时时间超过设定的报警时间（此时间根据连续正常使用时间确定，有用户根据用水习惯设置），则会判断为漏水现象。系统就会自动关闭进水阀门或者由用户通过微信小程序远程关闭电磁阀门，停止家庭供水，从而避免漏水事故的发生。其程序流程如图4所示。

3.2.3 数据显示程序

STM32处理器获得的流量数据、用水总量、水质TDS值、单次用水时长、电磁阀状态、WiFi状态等数据均可在LCD屏上显示，如图5所示。

3.2.4 数据上传程序

主控制器获取的用水数据通过ESP8266上传至中国移动OneNET物联网云平台，其流程如图6所示。

首先将需要发送的数据按照协议打包，其次在数据上传前要确定ESP8266接入了OneNET云平台，然后方可进行数据发送操作。

3.2.5 指令接收程序

指令接收程序主要完成对小程序发送的指令接收及指令解析，其流程如图7所示。当串口接收到完整的一帧数据，进行指令解析。控制指令主要有两条：电磁阀开关控制令和手动自动模式切换指令。

3.3 微信小程序

微信小程序相较于一般手机APP具有方便快捷、界面简洁、节省空间等优势[10]，因此作为上位机主要实现数据的客户端显示和设备的远程控制。用户可以根据小程序界面上的手机按钮和电磁阀开关按钮进行手动和自动模式切换以及电磁阀门的远程控制。当用户按下相应按钮之后就会触发相应的函数，在函数内通过HTTP协议对OneNET云平台下发控制命令，如图8所示。

4 结 语

本文研究的基于物联网技术的智能用水监管系统在水资源利用管理和健康饮水方面具有重要意义。该系统通过各种传感器实时采集水质、水温、用水总量和漏水等数据，并将数据传输至云平台进行分析，从而帮助用户及时发现和解决用水问题。同时，该系统还具有远程控制功能，用户可以通过微信小程序实现阀门开关控制，轻松避免家庭漏水事故的发生。本文设计的智能用水监管系统不仅具有实用性，而且可扩展性较强，可以推广到各个领域，如学校、企事业单位和工厂等，以促进可持续的水资源利用和管理。总体来看，本文的研究成果对于家庭用水的安全管理、安全用水和健康用水具有重大意义。

参考文献

[1]刘彩霞，潘玉林，蔡琼，等. 家庭用水行为及其对生态环境影响

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[3]闫一航.物联网驱动的智能家居发展现状及前景展望[J].通讯世界，2019，26（2）：216-217.

[4]汤利顺.基于单点感知的家庭用电和用水检测系统设计[D].长春：吉林大学，2012.

[5]佚名. ST发布最新STM32G0微控制器[J].单片机与嵌入式系统应用，2021，21（9）：94.

[6]李萌萌，梁涛，王真臻，等.日本饮用水水质检测标准化概述及启示[J].中国给水排水，2022，38（3）：131-138.

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[8]曾少云. LCD显示屏HDR显示技术研究[D].广州：华南理工大学，2020.

[9]宋丽娟. 水溶液TDS测量系统的研究[D].北京：北京化工大学，2018.

[10]王文杰，余志钧，张慈凤，等.基于用户体验的微信应用小程序设计[J].互联网周刊，2022，25（21）：47-49.

作者简介：徐梦平（2001—），男，本科在读，研究方向为自动化。

马艳彬（1988—），男，硕士，讲师，研究方向为嵌入式系统设计。

马昊悦（2003—），女，本科在读，研究方向为计算机科学技术。