1 功能實(shí)現(xiàn)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測(cè)試

4 結(jié)論

1.總體功能實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)智云的智能補(bǔ)水系統(tǒng)，通過(guò)流量傳感器對(duì)密閉水系統(tǒng)的補(bǔ)水量的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)判斷密閉水系統(tǒng)是否發(fā)生大的泄漏，并及時(shí)關(guān)閉補(bǔ)水閥，并將相關(guān)信息通過(guò)WIFI自動(dòng)上傳到機(jī)智云平臺(tái)，用戶通過(guò)手機(jī)APP能及時(shí)了解補(bǔ)水系統(tǒng)的工作情況。實(shí)驗(yàn)證明，該補(bǔ)水系統(tǒng)能對(duì)密閉水系統(tǒng)補(bǔ)水量進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制。

機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

機(jī)智云平臺(tái)是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)公司專(zhuān)為個(gè)人和企業(yè)開(kāi)發(fā)者打造的一體化智能硬件開(kāi)發(fā)及云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)提供全方位服務(wù)，涵蓋從產(chǎn)品定義、設(shè)備端開(kāi)發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、產(chǎn)測(cè)、云端開(kāi)發(fā)，到運(yùn)營(yíng)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)，全面支持智能硬件接入和運(yùn)營(yíng)管理的整個(gè)生命周期。該平臺(tái)主要分為技術(shù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)和數(shù)據(jù)中臺(tái)三個(gè)核心部分。技術(shù)中臺(tái)專(zhuān)注于解決技術(shù)方面的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)用戶與云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)處理；業(yè)務(wù)中臺(tái)負(fù)責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與用戶之間的業(yè)務(wù)事務(wù)，確保物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)能夠迎合時(shí)代迅猛發(fā)展并解決用戶不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求；數(shù)據(jù)中臺(tái)則致力于集中處理數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在云端系統(tǒng)中，以便用戶輕松獲取所需的主題系統(tǒng)。

2.總體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。主要由主控制器、無(wú)線通信模塊、水流量傳感器模塊、繼電器控制模塊等組成。整個(gè)系統(tǒng)以STC8F2K16S2單片機(jī)為核心，水流量傳感器YF-S201實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)水量的采集和電磁閥的開(kāi)關(guān)，Wi-Fi無(wú)線通信模塊ESP-01S通過(guò)串口將主控制器與機(jī)智云平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及命令的下發(fā)。

2.2 無(wú)線通信模塊

ESP-01S是由安信可開(kāi)發(fā)的WiFi模塊，該模塊核心處理器esp8266芯片是高性能無(wú)線SoC，以最低成本提供最大實(shí)用性，高度集成天線開(kāi)關(guān)、射頻巴倫、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器等射頻模塊，同時(shí)芯片內(nèi)置了業(yè)界領(lǐng)先的TensilicaL106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡(jiǎn)模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi協(xié)議棧，可將高達(dá)80%的處理能力應(yīng)用于編程和開(kāi)發(fā)。

ESP-01S模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，完整的TCP/IP協(xié)議棧。用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

ESP-01S可以作為獨(dú)立WiFiMCU運(yùn)行，用戶通過(guò)基于RTOS的SDK開(kāi)發(fā)帶WiFi連接功能的產(chǎn)品。也可以通過(guò)SPI/SDIO接口或UART接口即可作為WiFi適配器，應(yīng)用到基于任何微控制器設(shè)計(jì)中。

ESP-01S模組共接出8個(gè)管腳，管腳功能定義見(jiàn)表1。
表1管腳功能定義

本設(shè)計(jì)中將ESP-01S模塊通過(guò)串口與主控制器STC8F2K16S2連接，通過(guò)其內(nèi)置的固件為主控制器提供Wi-Fi連接功能。具體電路見(jiàn)圖2。

2.3

水流量傳感器模塊

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合和控制的需要，選用基于霍爾元件的水流量傳感器模塊YF-S201。水流量傳感器主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、霍爾傳感器和電磁閥組成。當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，帶動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，霍爾傳感器產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，因此，可通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)判斷水流量的多少。

YF-S201工作電壓范圍寬，直流5~18V供電，DC5V時(shí)，最大工作電流15mA，耐水壓≤1.75MPa，流量脈沖頻率與水量的關(guān)系見(jiàn)公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F(xiàn)是流量脈沖頻率，單位Hz；Q是水流量，單位L/min。

YF-S201將電磁閥和流量傳感器一體化，降低了設(shè)備的安裝難度，使用方便。YF-S201有2個(gè)接口，流量傳感器接線方式采用三線制，紅線是電源線，接電源正極，黃線是脈沖信號(hào)輸出線，黑線地線，接電源負(fù)極。電磁閥接線采用兩線制，接12V的線圈控制電壓。

YF-S201模塊中流量傳感器的信號(hào)采集電路見(jiàn)圖3，流量傳感器的工作電壓5V，輸出脈沖信號(hào)的幅值是5V，而主控制器STC8F2K16S2是3.3V供電，兩者的IO電平不匹配，因此通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路將脈沖的幅度轉(zhuǎn)換成3V送給主控制器的外部中斷INT0。

2.4 繼電器控制模塊

YF-S201模塊中電磁閥是通過(guò)直流12V控制的，因此主控制器不能直接控制電磁閥，必須通過(guò)繼電器模塊來(lái)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。電路見(jiàn)圖4。其中主控制器和繼電器模塊之間通過(guò)光耦進(jìn)行隔離。

2.5 電源模塊

根據(jù)前面模塊電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)需要12V、5V和3.3V三種電源。系統(tǒng)選用固定輸出電壓3.3V和5V的AMS1117來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。見(jiàn)圖5。12V電壓由開(kāi)關(guān)電源提供，其中一路用來(lái)控制電磁閥，一路通過(guò)AMS1117-5V將12V轉(zhuǎn)換為5V穩(wěn)定電壓。5V電壓除了給流量傳感器供電和控制繼電器以外，還通過(guò)AMS1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)換為3.3V穩(wěn)定電壓。

因?yàn)閃i-Fi模塊要求外部供電電源輸出電流建議在500mA以上，為了保證系統(tǒng)工作的可靠性，因此通過(guò)2片AMS1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)換為2路獨(dú)立的3.3V穩(wěn)定電壓，其中一路單獨(dú)給Wi-Fi模塊供電，另一路給主控器和其它器件供電。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，見(jiàn)圖6。下位機(jī)軟件是指單片機(jī)模塊的程序設(shè)計(jì)，通過(guò)傳感器記錄水流量和電磁閥的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳送到云端。上位機(jī)軟件是指手機(jī)端的移動(dòng)APP，通過(guò)APP可以實(shí)時(shí)查看下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并可以云端對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制。兩者通過(guò)機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換。

3.2云端數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置

在機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)入個(gè)人賬戶后，創(chuàng)建新產(chǎn)品，名稱設(shè)置為“智能水閥”。根據(jù)水閥控制的需求，定義了3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，見(jiàn)表2。
表2數(shù)據(jù)點(diǎn)定義

其中，數(shù)據(jù)點(diǎn)onoff用于顯示電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)為了能夠通過(guò)移動(dòng)APP控制的電磁閥的開(kāi)關(guān)，因此將數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)名設(shè)置為onoff，讀寫(xiě)類(lèi)型設(shè)置為可寫(xiě)，數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置為布爾值。數(shù)據(jù)點(diǎn)水流量用于顯示系統(tǒng)的補(bǔ)水量，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)名設(shè)置為flow，讀寫(xiě)類(lèi)型設(shè)置為只讀，數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置為數(shù)值。

數(shù)據(jù)點(diǎn)報(bào)警用于補(bǔ)水量超過(guò)閾值時(shí)報(bào)警，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)名設(shè)置為alarm，讀寫(xiě)類(lèi)型設(shè)置為報(bào)警，數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置為布爾值。

3.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置好后，進(jìn)入MCU開(kāi)發(fā)頁(yè)面，機(jī)智云會(huì)根據(jù)定義的數(shù)據(jù)點(diǎn)自動(dòng)生成整個(gè)MCU工程代碼。自動(dòng)生成的代碼已經(jīng)根據(jù)用戶定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，生成了對(duì)應(yīng)的機(jī)智云串口協(xié)議層代碼。

工程代碼需要用戶開(kāi)發(fā)的有三部分，一是配置處理，用于設(shè)備配置入網(wǎng)及恢復(fù)出廠設(shè)置；二是下行處理，用于移動(dòng)APP控制電磁閥的開(kāi)關(guān)；三是上行處理，用于補(bǔ)水量和電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)的獲取。

在WiFi模塊使用前，需要將其配置入網(wǎng)。在程序中通過(guò)按鍵使WiFi模塊進(jìn)入AirLink配網(wǎng)模式。下行處理只需在gizwitsEventProcess()函數(shù)中處理相應(yīng)事件即可。上行處理在userHandle()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)即可，用于補(bǔ)水量和電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)的獲取。

水流量傳感器輸出的脈沖信號(hào)作為外部中斷信號(hào)送入單片機(jī)，每10s計(jì)算一次水流量并累加，若10s內(nèi)水流量或累計(jì)水流量超過(guò)規(guī)定的閾值，則自動(dòng)關(guān)閉電磁閥停止補(bǔ)水。流程見(jiàn)圖7。

4.手機(jī)APP設(shè)計(jì)

機(jī)智云平臺(tái)根據(jù)我們定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn)，自動(dòng)生成App源碼，可直接編譯打包成App安裝包，安裝后便可運(yùn)行控制設(shè)備。也可以在源碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

5 系統(tǒng)測(cè)試

打開(kāi)移動(dòng)APP，登錄后進(jìn)入我的設(shè)備頁(yè)面，選擇所要連接的WiFi網(wǎng)絡(luò)，并輸入密碼，進(jìn)入AirLink配網(wǎng)模式后，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行配置。配置完成后（見(jiàn)圖8），此時(shí)，真實(shí)設(shè)備文字圖標(biāo)顏色變成黃色，說(shuō)明設(shè)備已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，和機(jī)智云平臺(tái)已經(jīng)通訊成功。

點(diǎn)擊真實(shí)設(shè)備，進(jìn)入智能水閥控制頁(yè)面，見(jiàn)圖9，此時(shí)可以看到水流量為0，電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)。

結(jié)論

本文通過(guò)水流量傳感器檢測(cè)密閉水系統(tǒng)的補(bǔ)水量，根據(jù)補(bǔ)水量的多少自動(dòng)對(duì)補(bǔ)水閥通斷，同時(shí)基于機(jī)智云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉水系統(tǒng)補(bǔ)水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。根據(jù)此方法構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能對(duì)密閉水系統(tǒng)的補(bǔ)水情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制。