1 功能實現

2 系統軟硬件設計

3 系統測試

4 結論

1.總體功能實現

本文設計了一套基于機智云的智能補水系統，通過流量傳感器對密閉水系統的補水量的監測，自動判斷密閉水系統是否發生大的泄漏，并及時關閉補水閥，并將相關信息通過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的工作情況。實驗證明，該補水系統能對密閉水系統補水量進行有效的監測和控制。

機智云物聯網平臺

機智云平臺是機智云物聯網公司專為個人和企業開發者打造的一體化智能硬件開發及云服務平臺。該平臺提供全方位服務，涵蓋從產品定義、設備端開發調試、應用開發、產測、云端開發，到運營管理和數據服務，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中臺、業務中臺和數據中臺三個核心部分。技術中臺專注于解決技術方面的問題，實現用戶與云平臺之間的數據處理；業務中臺負責處理物聯網平臺與用戶之間的業務事務，確保物聯網行業能夠迎合時代迅猛發展并解決用戶不斷增長的業務需求；數據中臺則致力于集中處理數據，并將其存儲在云端系統中，以便用戶輕松獲取所需的主題系統。

2.總體硬件系統結構

2.1系統硬件設計

系統硬件結構框圖見圖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。整個系統以STC8F2K16S2單片機為核心，水流量傳感器YF-S201實現對補水量的采集和電磁閥的開關，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，實現數據的上傳及命令的下發。

2.2 無線通信模塊

ESP-01S是由安信可開發的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、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，同時芯片內置了業界領先的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（RTOS）和Wi-Fi協議棧，可將高達80%的處理能力應用于編程和開發。

ESP-01S模塊支持標準的無線802.11b/g/n標準，完整的TCP/IP協議棧。用戶可以使用該模塊為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

ESP-01S可以作為獨立WiFiMCU運行，用戶通過基于RTOS的SDK開發帶WiFi連接功能的產品。也可以通過SPI/SDIO接口或UART接口即可作為WiFi適配器，應用到基于任何微控制器設計中。

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

本設計中將ESP-01S模塊通過串口與主控制器STC8F2K16S2連接，通過其內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

根據實際應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、水流轉子組件、霍爾傳感器和電磁閥組成。當水通過水流轉子組件時，帶動磁性轉子轉動，產生不同磁極的旋轉磁場，霍爾傳感器產生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉子的轉速成正比，轉子的轉速又與水流量成正比，因此，可通過檢測脈沖信號的個數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系見公式（1）

F=7.5*Q（1）

其中，F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。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

根據前面模塊電路的設計，系統需要12V、5V和3.3V三種電源。系統選用固定輸出電壓3.3V和5V的AMS1117來實現供電。見圖5。12V電壓由開關電源提供，其中一路用來控制電磁閥，一路通過AMS1117-5V將12V轉換為5V穩定電壓。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轉換為3.3V穩定電壓。

因為Wi-Fi模塊要求外部供電電源輸出電流建議在500mA以上，為了保證系統工作的可靠性，因此通過2片AMS1117-3.3V將5V轉換為2路獨立的3.3V穩定電壓，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.系統軟件設計

3.1系統軟件結構

本系統的軟件設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計，通過傳感器記錄水流量和電磁閥的狀態，并將數據傳送到云端。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據，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據信息的交換。

3.2云端數據點設置

在機智云平臺進入個人賬戶后，創建新產品，名稱設置為“智能水閥”。根據水閥控制的需求，定義了3個數據點，見表2。
表2數據點定義

其中，數據點onoff用于顯示電磁閥的開關狀態，同時為了能夠通過移動APP控制的電磁閥的開關，因此將數據點的標識名設置為onoff，讀寫類型設置為可寫，數據類型設置為布爾值。數據點水流量用于顯示系統的補水量，將數據點的標識名設置為flow，讀寫類型設置為只讀，數據類型設置為數值。

數據點報警用于補水量超過閾值時報警，將數據點的標識名設置為alarm，讀寫類型設置為報警，數據類型設置為布爾值。

3.3單片機程序設計

數據點設置好后，進入MCU開發頁面，機智云會根據定義的數據點自動生成整個MCU工程代碼。自動生成的代碼已經根據用戶定義的產品數據點信息，生成了對應的機智云串口協議層代碼。

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

在WiFi模塊使用前，需要將其配置入網。在程序中通過按鍵使WiFi模塊進入AirLink配網模式。下行處理只需在gizwitsEventProcess()函數中處理相應事件即可。上行處理在userHandle()函數中實現即可，用于補水量和電磁閥開關狀態的獲取。

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內水流量或累計水流量超過規定的閾值，則自動關閉電磁閥停止補水。流程見圖7。

4.手機APP設計

機智云平臺根據我們定義的產品數據點，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備。也可以在源碼的基礎上進行二次開發。

5 系統測試

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

點擊真實設備，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。

結論

本文通過水流量傳感器檢測密閉水系統的補水量，根據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對密閉水系統補水的遠程實時監測和控制。根據此方法構建了系統的軟硬件，通過系統調試，驗證了該系統能對密閉水系統的補水情況進行有效監測和控制。