基于机智云平台的智能补水系统

    1 功能实现

    2 系统软硬件设计

    3 系统测试

    4  结论

 

 

1. 总体功能实现

本文设计了一套基于机智云的智能补水系统，通过流量传感器对密闭水系统的补水量的监测，自动判断密闭水系统是否发生大的泄漏，并及时关闭补水阀，并将相关信息通过WIFI自动上传到机智云平台，用户通过手机APP能及时了解补水系统的工作情况。实验证明，该补水系统能对密闭水系统补水量进行有效的监测和控制。

 

机智云物联网平台

 

机智云平台是机智云物联网公司专为个人和企业开发者打造的一体化智能硬件开发及云服务平台。该平台提供全方位服务，涵盖从产品定义、设备端开发调试、应用开发、产测、云端开发，到运营管理和数据服务，全面支持智能硬件接入和运营管理的整个生命周期。该平台主要分为技术中台、业务中台和数据中台三个核心部分。技术中台专注于解决技术方面的问题，实现用户与云平台之间的数据处理；业务中台负责处理物联网平台与用户之间的业务事务，确保物联网行业能够迎合时代迅猛发展并解决用户不断增长的业务需求；数据中台则致力于集中处理数据，并将其存储在云端系统中，以便用户轻松获取所需的主题系统。

 

   2.总体硬件系统结构

2.1 系统硬件设计

系统硬件结构框图见图1。主要由主控制器、无线通信模块、水流量传感器模块、继电器控制模块等组成。整个系统以STC8F2K16S2单片机为核心，水流量传感器YF-S201实现对补水量的采集和电磁阀的开关，Wi-Fi无线通信模块ESP-01S通过串口将主控制器与机智云平台连接，实现数据的上传及命令的下发。
 

 

 

2.2 无线通信模块

ESP-01S是由安信可开发的WiFi模块，该模块核心处理器esp8266芯片是高性能无线SoC，以最低成本提供最大实用性，高度集成天线开关、射频巴伦、功率放大器、低噪声接收放大器、滤波器等射频模块，同时芯片内置了业界领先的TensilicaL106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频支持80MHz和160MHz，支持实时操作系统（RTOS）和Wi-Fi协议栈，可将高达80%的处理能力应用于编程和开发。

ESP-01S模块支持标准的无线802.11b/g/n标准，完整的TCP/IP协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

ESP-01S可以作为独立WiFiMCU运行，用户通过基于RTOS的SDK开发带WiFi连接功能的产品。也可以通过SPI/SDIO接口或UART接口即可作为WiFi适配器，应用到基于任何微控制器设计中。

ESP-01S模组共接出8个管脚，管脚功能定义见表1。
表1管脚功能定义

 

本设计中将ESP-01S模块通过串口与主控制器STC8F2K16S2连接，通过其内置的固件为主控制器提供Wi-Fi连接功能。具体电路见图2。

 

2.3

水流量传感器模块

 

根据实际应用场合和控制的需要，选用基于霍尔元件的水流量传感器模块YF-S201。水流量传感器主要由阀体、水流转子组件、霍尔传感器和电磁阀组成。当水通过水流转子组件时，带动磁性转子转动，产生不同磁极的旋转磁场，霍尔传感器产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比，因此，可通过检测脉冲信号的个数来判断水流量的多少。

 

YF-S201工作电压范围宽，直流5~18V供电，DC5V时，最大工作电流15mA，耐水压≤1.75MPa，流量脉冲频率与水量的关系见公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F是流量脉冲频率，单位Hz；Q是水流量，单位L/min。

YF-S201将电磁阀和流量传感器一体化，降低了设备的安装难度，使用方便。YF-S201有2个接口，流量传感器接线方式采用三线制，红线是电源线，接电源正极，黄线是脉冲信号输出线，黑线地线，接电源负极。电磁阀接线采用两线制，接12V的线圈控制电压。

YF-S201模块中流量传感器的信号采集电路见图3，流量传感器的工作电压5V，输出脉冲信号的幅值是5V，而主控制器STC8F2K16S2是3.3V供电，两者的IO电平不匹配，因此通过一个简单的分压电路将脉冲的幅度转换成3V送给主控制器的外部中断INT0。

 

2.4 继电器控制模块

YF-S201模块中电磁阀是通过直流12V控制的，因此主控制器不能直接控制电磁阀，必须通过继电器模块来控制电磁阀的开关。电路见图4。其中主控制器和继电器模块之间通过光耦进行隔离。

 

 

 

2.5 电源模块

 

根据前面模块电路的设计，系统需要12V、5V和3.3V三种电源。系统选用固定输出电压3.3V和5V的AMS1117来实现供电。见图5。12V电压由开关电源提供，其中一路用来控制电磁阀，一路通过AMS1117-5V将12V转换为5V稳定电压。5V电压除了给流量传感器供电和控制继电器以外，还通过AMS1117-3.3V将5V转换为3.3V稳定电压。

 

因为Wi-Fi模块要求外部供电电源输出电流建议在500mA以上，为了保证系统工作的可靠性，因此通过2片AMS1117-3.3V将5V转换为2路独立的3.3V稳定电压，其中一路单独给Wi-Fi模块供电，另一路给主控器和其它器件供电。

 

 

 

   3.系统软件设计

 

3.1 系统软件结构

 

本系统的软件设计主要分为上位机和下位机两部分，见图6。下位机软件是指单片机模块的程序设计，通过传感器记录水流量和电磁阀的状态，并将数据传送到云端。上位机软件是指手机端的移动APP，通过APP可以实时查看下位机上传的数据，并可以云端对下位机进行控制。两者通过机智云平台进行数据信息的交换。

 

 

3.2 云端数据点设置

在机智云平台进入个人账户后，创建新产品，名称设置为“智能水阀”。根据水阀控制的需求，定义了3个数据点，见表2。
表2数据点定义

 

 

其中，数据点onoff用于显示电磁阀的开关状态，同时为了能够通过移动APP控制的电磁阀的开关，因此将数据点的标识名设置为onoff，读写类型设置为可写，数据类型设置为布尔值。数据点水流量用于显示系统的补水量，将数据点的标识名设置为flow，读写类型设置为只读，数据类型设置为数值。

 

数据点报警用于补水量超过阈值时报警，将数据点的标识名设置为alarm，读写类型设置为报警，数据类型设置为布尔值。

 

3.3 单片机程序设计

数据点设置好后，进入MCU开发页面，机智云会根据定义的数据点自动生成整个MCU工程代码。自动生成的代码已经根据用户定义的产品数据点信息，生成了对应的机智云串口协议层代码。

 

工程代码需要用户开发的有三部分，一是配置处理，用于设备配置入网及恢复出厂设置；二是下行处理，用于移动APP控制电磁阀的开关；三是上行处理，用于补水量和电磁阀开关状态的获取。

在WiFi模块使用前，需要将其配置入网。在程序中通过按键使WiFi模块进入AirLink配网模式。下行处理只需在gizwitsEventProcess()函数中处理相应事件即可。上行处理在userHandle()函数中实现即可，用于补水量和电磁阀开关状态的获取。

水流量传感器输出的脉冲信号作为外部中断信号送入单片机，每10s计算一次水流量并累加，若10s内水流量或累计水流量超过规定的阈值，则自动关闭电磁阀停止补水。流程见图7。

 

 

 

   4.手机APP设计

机智云平台根据我们定义的产品数据点，自动生成App源码，可直接编译打包成App安装包，安装后便可运行控制设备。也可以在源码的基础上进行二次开发。

 

 

  5 系统测试

打开移动APP，登录后进入我的设备页面，选择所要连接的WiFi网络，并输入密码，进入AirLink配网模式后，设备自动进行配置。配置完成后（见图8），此时，真实设备文字图标颜色变成黄色，说明设备已经联网，和机智云平台已经通讯成功。

点击真实设备，进入智能水阀控制页面，见图9，此时可以看到水流量为0，电磁阀处于打开状态。

 

结论

本文通过水流量传感器检测密闭水系统的补水量，根据补水量的多少自动对补水阀通断，同时基于机智云平台实现对密闭水系统补水的远程实时监测和控制。根据此方法构建了系统的软硬件，通过系统调试，验证了该系统能对密闭水系统的补水情况进行有效监测和控制。