1 功能實現(xiàn)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3 系統(tǒng)測試

4 結(jié)論

1.總體功能實現(xiàn)

本文設(shè)計了一套基于機智云的智能補水系統(tǒng)，通過流量傳感器對密閉水系統(tǒng)的補水量的監(jiān)測，自動判斷密閉水系統(tǒng)是否發(fā)生大的泄漏，并及時關(guān)閉補水閥，并將相關(guān)信息通過WIFI自動上傳到機智云平臺，用戶通過手機APP能及時了解補水系統(tǒng)的工作情況。實驗證明，該補水系統(tǒng)能對密閉水系統(tǒng)補水量進行有效的監(jiān)測和控制。

機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺

機智云平臺是機智云物聯(lián)網(wǎng)公司專為個人和企業(yè)開發(fā)者打造的一體化智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺。該平臺提供全方位服務(wù)，涵蓋從產(chǎn)品定義、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)測、云端開發(fā)，到運營管理和數(shù)據(jù)服務(wù)，全面支持智能硬件接入和運營管理的整個生命周期。該平臺主要分為技術(shù)中臺、業(yè)務(wù)中臺和數(shù)據(jù)中臺三個核心部分。技術(shù)中臺專注于解決技術(shù)方面的問題，實現(xiàn)用戶與云平臺之間的數(shù)據(jù)處理；業(yè)務(wù)中臺負責處理物聯(lián)網(wǎng)平臺與用戶之間的業(yè)務(wù)事務(wù)，確保物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)能夠迎合時代迅猛發(fā)展并解決用戶不斷增長的業(yè)務(wù)需求；數(shù)據(jù)中臺則致力于集中處理數(shù)據(jù)，并將其存儲在云端系統(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

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。主要由主控制器、無線通信模塊、水流量傳感器模塊、繼電器控制模塊等組成。整個系統(tǒng)以STC8F2K16S2單片機為核心，水流量傳感器YF-S201實現(xiàn)對補水量的采集和電磁閥的開關(guān)，Wi-Fi無線通信模塊ESP-01S通過串口將主控制器與機智云平臺連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及命令的下發(fā)。

2.2 無線通信模塊

ESP-01S是由安信可開發(fā)的WiFi模塊，該模塊核心處理器esp8266芯片是高性能無線SoC，以最低成本提供最大實用性，高度集成天線開關(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位精簡模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi協(xié)議棧，可將高達80%的處理能力應(yīng)用于編程和開發(fā)。

ESP-01S模塊支持標準的無線802.11b/g/n標準，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)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

ESP-01S可以作為獨立WiFiMCU運行，用戶通過基于RTOS的SDK開發(fā)帶WiFi連接功能的產(chǎn)品。也可以通過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)計中。

ESP-01S模組共接出8個管腳，管腳功能定義見表1。
表1管腳功能定義

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

2.3

水流量傳感器模塊

根據(jù)實際應(yīng)用場合和控制的需要，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。當水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，帶動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，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，可通過檢測脈沖信號的個數(shù)來判斷水流量的多少。

YF-S201工作電壓范圍寬，直流5~18V供電，DC5V時，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，黃線是脈沖信號輸出線，黑線地線，接電源負極。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采集電路見圖3，流量傳感器的工作電壓5V，輸出脈沖信號的幅值是5V，而主控制器STC8F2K16S2是3.3V供電，兩者的IO電平不匹配，因此通過一個簡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，必須通過繼電器模塊來控制電磁閥的開關(guān)。電路見圖4。其中主控制器和繼電器模塊之間通過光耦進行隔離。

2.5 電源模塊

根據(jù)前面模塊電路的設(shè)計，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來實現(xiàn)供電。見圖5。12V電壓由開關(guān)電源提供，其中一路用來控制電磁閥，一路通過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AMS1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)換為3.3V穩(wěn)定電壓。

因為Wi-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2片AMS1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)換為2路獨立的3.3V穩(wěn)定電壓，其中一路單獨給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

3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為上位機和下位機兩部分，見圖6。下位機軟件是指單片機模塊的程序設(shè)計，通過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。上位機軟件是指手機端的移動APP，通過APP可以實時查看下位機上傳的數(shù)據(jù)，并可以云端對下位機進行控制。兩者通過機智云平臺進行數(shù)據(jù)信息的交換。

3.2云端數(shù)據(jù)點設(shè)置

在機智云平臺進入個人賬戶后，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個數(shù)據(jù)點，見表2。
表2數(shù)據(jù)點定義

其中，數(shù)據(jù)點onoff用于顯示電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，同時為了能夠通過移動APP控制的電磁閥的開關(guān)，因此將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為onoff，讀寫類型設(shè)置為可寫，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為布爾值。數(shù)據(jù)點水流量用于顯示系統(tǒng)的補水量，將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為flow，讀寫類型設(shè)置為只讀，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為數(shù)值。

數(shù)據(jù)點報警用于補水量超過閾值時報警，將數(shù)據(jù)點的標識名設(shè)置為alarm，讀寫類型設(shè)置為報警，數(shù)據(jù)類型設(shè)置為布爾值。

3.3單片機程序設(shè)計

數(shù)據(jù)點設(shè)置好后，進入MCU開發(fā)頁面，機智云會根據(jù)定義的數(shù)據(jù)點自動生成整個MCU工程代碼。自動生成的代碼已經(jīng)根據(jù)用戶定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點信息，生成了對應(yīng)的機智云串口協(xié)議層代碼。

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

在WiFi模塊使用前，需要將其配置入網(wǎng)。在程序中通過按鍵使WiFi模塊進入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)中實現(xiàn)即可，用于補水量和電磁閥開關(guān)狀態(tài)的獲取。

水流量傳感器輸出的脈沖信號作為外部中斷信號送入單片機，每10s計算一次水流量并累加，若10s內(nèi)水流量或累計水流量超過規(guī)定的閾值，則自動關(guān)閉電磁閥停止補水。流程見圖7。

4.手機APP設(shè)計

機智云平臺根據(jù)我們定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)點，自動生成App源碼，可直接編譯打包成App安裝包，安裝后便可運行控制設(shè)備。也可以在源碼的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

5 系統(tǒng)測試

打開移動APP，登錄后進入我的設(shè)備頁面，選擇所要連接的WiFi網(wǎng)絡(luò)，并輸入密碼，進入AirLink配網(wǎng)模式后，設(shè)備自動進行配置。配置完成后（見圖8），此時，真實設(shè)備文字圖標顏色變成黃色，說明設(shè)備已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，和機智云平臺已經(jīng)通訊成功。

點擊真實設(shè)備，進入智能水閥控制頁面，見圖9，此時可以看到水流量為0，電磁閥處于打開狀態(tài)。

結(jié)論

本文通過水流量傳感器檢測密閉水系統(tǒng)的補水量，根據(jù)補水量的多少自動對補水閥通斷，同時基于機智云平臺實現(xiàn)對密閉水系統(tǒng)補水的遠程實時監(jiān)測和控制。根據(jù)此方法構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件，通過系統(tǒng)調(diào)試，驗證了該系統(tǒng)能對密閉水系統(tǒng)的補水情況進行有效監(jiān)測和控制。