时间：2018年6月
背景：自动化检测系统设计
名称：优水•智能水箱系统
摘要：
优水•智能水箱系统定位于定制型楼顶水箱的管理。系统使用有WiFi组网技术、水位检测技术、霍尔接近开关技术、安卓编程技术等技术相互结合，实现多级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。
在信息化迅速发展的今天,我国许多地区水塔水箱供水系统的硬件设施和软件技术落后,在水井距离用水点较远的场合,或者用水高峰期时，通常需要水塔水箱来供应生产、生活用水,然而,人工启动水泵的上水效率低,而且难以把握水位,而国内一般的解决方案是用浮动开关来用控制水箱的抽水和停止抽水，这样倒是解决了其中难以把握水位的问题，但在这个物联网的世界里，解决这个问题是远远不够的，怎样建立一个好的用户管理水箱交互界面是必须要加于考虑的。
关键词：智能；水箱；无线；安全；控制
概述
1.1 课题描述
楼顶水箱是家庭及工业用水必不可少的利器，传统的水箱管理系统较为单一，其控制管理平台是固定的不可移动的，交互界面较差。
拥有一个稳定可靠的水位检测，多控制台监测管理，手机随时开即可监测和控制水箱的系统是技术发展的必须。
1.2 系统目标
优水•智能水箱系统定位于楼顶水箱的管理。系统使用有WiFi组网技术、水位检测技术、霍尔接近开关技术、安卓编程技术等技术相互结合，实现多级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。
系统实时监测水箱水位，在水位较低时可开启继电器进而启动水泵抽水，当水箱水位达到一定水位高度是会停止水泵抽水。另外还建立有良好的人机交互界面，多个控制台可实时显示水箱的水位，多个控制台都带有一个抽水按键，当水位较低时也可手动按下按键控制水箱进行抽水，安全方面是考虑到水箱盖子在恶劣天气时会脱离水箱，其可能会造成其它问题，系统可检测检测水箱盖是否有脱离水箱，当水箱盖脱离水箱多个控制台会启动蜂鸣器报警，以达到用户警告。
1.3 环境
a) 操作系统：
Windows10家庭版 64位
b) 使用软件：
安卓开发：Android Studio2.0
WiFi开发：ESP8266IDE
STM32开发：Keil uVision4
文档编写：Microsoft Word 2016
c) 开发语言：
Java 语言
C 语言
系统需求分析
在信息化迅速发展的今天,我国许多地区水塔水箱供水系统的硬件设施和软件技术落后,在水井距离用水点较远的场合,或者用水高峰期时，
通常需要水塔水箱来供应生产、生活用水,然而,人工启动水泵的上水效率低,而且难以把握水位,而国内一般的解决方案是用浮动开关来用控制水箱的抽水和停止抽水，
这样倒是解决了其中难以把握水位的问题，但在这个物联网的世界里，解决这个问题是远远不够的，怎样建立一个好的用户管理水箱交互界面是必须要加于考虑的。
系统总体设计
3.1系统总设计框图
图3.1 系统总设计框图
3.2系统功能
1) 实时水位监测：系统水位传感器模块拥有4个水位触点，可达到5级水位监测，且实时可靠；
2) 水箱盖实时监控：通过制作的霍尔传感器和磁钢的作用，可实时监测到水箱盖是否有脱离水箱；
3) 水泵自动供水：水泵开关是继电器，当水位较低时继电器会吸合，水泵开始抽水，当水位达到高度时，继电器停止吸合，水泵停止抽水；
4) 无线多控制台管理：用户可以自定义无线控制台的数量及位置，系统可扩展多个控制台，多控制带有蜂鸣器模块、显示模块和按键模块，其中蜂鸣器是用于报警提示，显示模块为显示水位及警报信息，按键模块可在水箱水位较低时手动按下抽水 ；
5) 安卓客户端：用户可以使用系统安卓客户端连接到系统局域网内监测水箱的水位及水箱盖子的情况，也可以通过安卓端控制水泵的工作。
3.3系统特点
1) 无线技术：通过WiFi组网，进行数据的无线传输；
2) 实时性：所有的数据都是实时传输和显示的，尽可能的去减少时间延时，使系统所得的数据更加准确；
3) 系统安全：在恶劣的天气里，水箱盖可能会脱离水箱，进而可能会造成水箱无盖保护或者飞物砸人的危险情况，及时发现可减少危险的发生，系统可在水箱盖脱离水箱时进行多级报警，其无线控制台和一级控制台蜂鸣器模块会鸣响，安卓客户端也会有相应警告提示；
4) 方便性：用户可通过无线多级控制台和安卓客户端实时监测水箱水位及水箱盖子的情况，和控制水箱水泵的抽水等。
详细设计
4.1水位检测及自动供水实现
如图4.1为系统水位监测及自动供水部分原理图，水位传感器为自己设计和焊接，水位传感器模块拥有4个水位触点（可扩展），可达到5级水位监测， 其4个水位触点通过放大电路连接到STM32单片机模块IO口，STM32单片机模块IO设置为输入检测模式，即可检测到对应IO口的电平变化，从而判断出水箱水位，再通过输出模式IO口控制继电器的吸合与断开，进而控制水泵的工作状态。
图4.1水位检测及自动供水实现原理图
4.2水箱盖监控实现
如图4.2为系统水箱盖监控实现原理图，其使用的传霍尔传感器为自己设计和焊接，霍尔传感器可用作接近开关，其中使用霍尔片A3144通过或者不通过放大电路将霍尔片输出引脚接到STM32单片机模块输入IO口，在磁钢S极接近时可输出低电平，STM32检测相应电平判断水箱盖是否有脱离水箱，若判断到水箱盖脱离水箱即会立即让蜂鸣器鸣响，并会将预警信息通过串口发送到WiFi AP网关，进而让WiFi AP 网关将预警信息传递到相应接收模块。
图4.2水箱盖监控实现原理图
4.3信息实时传输实现
如图4.3为系统信息实时传输实现原理图，系统的无线传输实现时通过局域网。其中STM32单片机模块和WiFi AP网关组成了系统的一级控制台，其主要为系统数据信息的来源，连接有多传感器和多人机交互模块。水位传感器和霍尔传感器数据通过串口传递给WiFi AP网关，AP网关再将数据转发给同一局域网内的控制台和安卓客户端，无线控制台和安卓端的控制指令（如控制水泵的开启指令）也是通过WiFi AP网关将数据发至STM32进行数据处理的。
图4.3 信息实时传输实现原理图
4.4安卓客户端实现
如图4.4为系统安卓客户端实现原理图，安卓客户端的信息接收是在局域网中的，所有先要连接到局域网，然后接入到局域网中的socket服务器，接着将等待服务器的实时消息，当接收到消息后将其判断后进行图形化显示，安卓客户端还可在水箱水位较低时一键开启水箱抽水。
图4.4安卓客户端实现原理图
测试
5.1系统硬件
图5.1系统硬件整体图
图5.2 系统硬件水箱部分
图5.3 系统一级控制台部分
图5.4 系统可扩展的无线二级控制台部分
6.2系统软件
图5.5 显示水满且水箱盖脱离图
图5.6 显示水位为1且水箱盖正常图
课程设计总结或结论
系统有经过长时间运行，其稳定性和实时性较高。水位传感器模块是自制的，其简单的只需要三极管、LED灯和电阻，霍尔传感器电路也是自制的，其只需要一个霍尔元件和三极管、 电阻，另外供电电源、蜂鸣器和继电器模块电路也是自己焊接的，自制电路可以大幅度减少成本，也可通过修改电路元件以达到系统最优。
水位监测是系统的核心功能，但水位传感器其原理是利用了水的导电性，如果将水箱的容量或者水箱的整体高度变化必然会影响传感器的检测，所以打算将系统定位为定制型楼顶水箱的管理系统，系统可与制作水箱公司合作，制作对应容量和高度的水箱水位传感器模块，匹配使用，效果更佳。
水位传感器的4个水位探头，可以通过重物将其拉直，以减少因水箱水波动引起的水位探头的位置偏移而造成的测量错误，水箱部分的水位传感器及霍尔传感器是要与水箱接近的，搭建好的电路保护箱是防止传感器及电路故障发生的必须，今后将会进一步研究。