時間：2018年6月
背景：自動化檢測系統設計
名稱：優水•智能水箱系統
摘要：
優水•智能水箱系統定位於定制型樓頂水箱的管理。系統使用有WiFi組網技術、水位檢測技術、霍爾接近開關技術、安卓編程技術等技術相互結合，實現多級控制台管理和控制水箱功能，使家庭水箱的管理更加便捷及人性化。
在信息化迅速發展的今天,我國許多地區水塔水箱供水系統的硬件設施和軟件技術落后,在水井距離用水點較遠的場合,或者用水高峰期時，通常需要水塔水箱來供應生產、生活用水,然而,人工啟動水泵的上水效率低,而且難以把握水位,而國內一般的解決方案是用浮動開關來用控制水箱的抽水和停止抽水，這樣倒是解決了其中難以把握水位的問題，但在這個物聯網的世界里，解決這個問題是遠遠不夠的，怎樣建立一個好的用戶管理水箱交互界面是必須要加於考慮的。
關鍵詞：智能；水箱；無線；安全；控制
概述
1.1 課題描述
樓頂水箱是家庭及工業用水必不可少的利器，傳統的水箱管理系統較為單一，其控制管理平台是固定的不可移動的，交互界面較差。
擁有一個穩定可靠的水位檢測，多控制台監測管理，手機隨時開即可監測和控制水箱的系統是技術發展的必須。
1.2 系統目標
優水•智能水箱系統定位於樓頂水箱的管理。系統使用有WiFi組網技術、水位檢測技術、霍爾接近開關技術、安卓編程技術等技術相互結合，實現多級控制台管理和控制水箱功能，使家庭水箱的管理更加便捷及人性化。
系統實時監測水箱水位，在水位較低時可開啟繼電器進而啟動水泵抽水，當水箱水位達到一定水位高度是會停止水泵抽水。另外還建立有良好的人機交互界面，多個控制台可實時顯示水箱的水位，多個控制台都帶有一個抽水按鍵，當水位較低時也可手動按下按鍵控制水箱進行抽水，安全方面是考慮到水箱蓋子在惡劣天氣時會脫離水箱，其可能會造成其它問題，系統可檢測檢測水箱蓋是否有脫離水箱，當水箱蓋脫離水箱多個控制台會啟動蜂鳴器報警，以達到用戶警告。
1.3 環境
a) 操作系統：
Windows10家庭版 64位
b) 使用軟件：
安卓開發：Android Studio2.0
WiFi開發：ESP8266IDE
STM32開發：Keil uVision4
文檔編寫：Microsoft Word 2016
c) 開發語言：
Java 語言
C 語言
系統需求分析
在信息化迅速發展的今天,我國許多地區水塔水箱供水系統的硬件設施和軟件技術落后,在水井距離用水點較遠的場合,或者用水高峰期時，
通常需要水塔水箱來供應生產、生活用水,然而,人工啟動水泵的上水效率低,而且難以把握水位,而國內一般的解決方案是用浮動開關來用控制水箱的抽水和停止抽水，
這樣倒是解決了其中難以把握水位的問題，但在這個物聯網的世界里，解決這個問題是遠遠不夠的，怎樣建立一個好的用戶管理水箱交互界面是必須要加於考慮的。
系統總體設計
3.1系統總設計框圖
圖3.1 系統總設計框圖
3.2系統功能
1) 實時水位監測：系統水位傳感器模塊擁有4個水位觸點，可達到5級水位監測，且實時可靠；
2) 水箱蓋實時監控：通過制作的霍爾傳感器和磁鋼的作用，可實時監測到水箱蓋是否有脫離水箱；
3) 水泵自動供水：水泵開關是繼電器，當水位較低時繼電器會吸合，水泵開始抽水，當水位達到高度時，繼電器停止吸合，水泵停止抽水；
4) 無線多控制台管理：用戶可以自定義無線控制台的數量及位置，系統可擴展多個控制台，多控制帶有蜂鳴器模塊、顯示模塊和按鍵模塊，其中蜂鳴器是用於報警提示，顯示模塊為顯示水位及警報信息，按鍵模塊可在水箱水位較低時手動按下抽水 ；
5) 安卓客戶端：用戶可以使用系統安卓客戶端連接到系統局域網內監測水箱的水位及水箱蓋子的情況，也可以通過安卓端控制水泵的工作。
3.3系統特點
1) 無線技術：通過WiFi組網，進行數據的無線傳輸；
2) 實時性：所有的數據都是實時傳輸和顯示的，盡可能的去減少時間延時，使系統所得的數據更加准確；
3) 系統安全：在惡劣的天氣里，水箱蓋可能會脫離水箱，進而可能會造成水箱無蓋保護或者飛物砸人的危險情況，及時發現可減少危險的發生，系統可在水箱蓋脫離水箱時進行多級報警，其無線控制台和一級控制台蜂鳴器模塊會鳴響，安卓客戶端也會有相應警告提示；
4) 方便性：用戶可通過無線多級控制台和安卓客戶端實時監測水箱水位及水箱蓋子的情況，和控制水箱水泵的抽水等。
詳細設計
4.1水位檢測及自動供水實現
如圖4.1為系統水位監測及自動供水部分原理圖，水位傳感器為自己設計和焊接，水位傳感器模塊擁有4個水位觸點（可擴展），可達到5級水位監測， 其4個水位觸點通過放大電路連接到STM32單片機模塊IO口，STM32單片機模塊IO設置為輸入檢測模式，即可檢測到對應IO口的電平變化，從而判斷出水箱水位，再通過輸出模式IO口控制繼電器的吸合與斷開，進而控制水泵的工作狀態。
圖4.1水位檢測及自動供水實現原理圖
4.2水箱蓋監控實現
如圖4.2為系統水箱蓋監控實現原理圖，其使用的傳霍爾傳感器為自己設計和焊接，霍爾傳感器可用作接近開關，其中使用霍爾片A3144通過或者不通過放大電路將霍爾片輸出引腳接到STM32單片機模塊輸入IO口，在磁鋼S極接近時可輸出低電平，STM32檢測相應電平判斷水箱蓋是否有脫離水箱，若判斷到水箱蓋脫離水箱即會立即讓蜂鳴器鳴響，並會將預警信息通過串口發送到WiFi AP網關，進而讓WiFi AP 網關將預警信息傳遞到相應接收模塊。
圖4.2水箱蓋監控實現原理圖
4.3信息實時傳輸實現
如圖4.3為系統信息實時傳輸實現原理圖，系統的無線傳輸實現時通過局域網。其中STM32單片機模塊和WiFi AP網關組成了系統的一級控制台，其主要為系統數據信息的來源，連接有多傳感器和多人機交互模塊。水位傳感器和霍爾傳感器數據通過串口傳遞給WiFi AP網關，AP網關再將數據轉發給同一局域網內的控制台和安卓客戶端，無線控制台和安卓端的控制指令（如控制水泵的開啟指令）也是通過WiFi AP網關將數據發至STM32進行數據處理的。
圖4.3 信息實時傳輸實現原理圖
4.4安卓客戶端實現
如圖4.4為系統安卓客戶端實現原理圖，安卓客戶端的信息接收是在局域網中的，所有先要連接到局域網，然后接入到局域網中的socket服務器，接着將等待服務器的實時消息，當接收到消息后將其判斷后進行圖形化顯示，安卓客戶端還可在水箱水位較低時一鍵開啟水箱抽水。
圖4.4安卓客戶端實現原理圖
測試
5.1系統硬件
圖5.1系統硬件整體圖
圖5.2 系統硬件水箱部分
圖5.3 系統一級控制台部分
圖5.4 系統可擴展的無線二級控制台部分
6.2系統軟件
圖5.5 顯示水滿且水箱蓋脫離圖
圖5.6 顯示水位為1且水箱蓋正常圖
課程設計總結或結論
系統有經過長時間運行，其穩定性和實時性較高。水位傳感器模塊是自制的，其簡單的只需要三極管、LED燈和電阻，霍爾傳感器電路也是自制的，其只需要一個霍爾元件和三極管、 電阻，另外供電電源、蜂鳴器和繼電器模塊電路也是自己焊接的，自制電路可以大幅度減少成本，也可通過修改電路元件以達到系統最優。
水位監測是系統的核心功能，但水位傳感器其原理是利用了水的導電性，如果將水箱的容量或者水箱的整體高度變化必然會影響傳感器的檢測，所以打算將系統定位為定制型樓頂水箱的管理系統，系統可與制作水箱公司合作，制作對應容量和高度的水箱水位傳感器模塊，匹配使用，效果更佳。
水位傳感器的4個水位探頭，可以通過重物將其拉直，以減少因水箱水波動引起的水位探頭的位置偏移而造成的測量錯誤，水箱部分的水位傳感器及霍爾傳感器是要與水箱接近的，搭建好的電路保護箱是防止傳感器及電路故障發生的必須，今后將會進一步研究。