CN107702866B - 实时漏水检测的无线智能水阀装置 - Google Patents

实时漏水检测的无线智能水阀装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时漏水检测的无线智能水阀装置。本发明包括四个部分:节点发射器、主板接收器、手机APP和2按键遥控器。节点发射器,用于检测漏水状态并发射漏水信号,通过传输模块与主控接收器通信;主控接收器,用于接收节点发射器的信号并发出报警信号,通过WiFi模块与手机APP进行通信;手机APP,用于同步显示主板接收器显示面板上的所有参数的工作状态;二按键遥控器,用来控制水阀的开关。本发明具有效率高、实时性强、可靠性高、灵敏度高且抗干扰能力强等特点,并且具有良好的可维护性和扩展性,且使用方便、覆盖范围广、操作简便,节点发射器是低功耗设计,电池的续航能力极强,不用频繁更换电池,经济实用。

Description

实时漏水检测的无线智能水阀装置
技术领域
本发明属于物联网技术领域,涉及了一种检测漏水并及时报警、自动关闭阀门且可通过手机APP查看实时状态的无线智能水阀装置。
背景技术
物联网是指利用二维码、RFID和各类传感器等设备,通过互联网等各类异构网络及其联网,获取无处不在的现实世界的信息,实现机器与机器之间、机器与人之间高效的信息交互方式,支持高智能的信息化应用,最终实现智能ICT基础设施与物理基础设施的全面融合。
物联网技术可实现对物质世界的信息数字化。这包括对信息和数据的采集获取,然后通过无线传感、RFID等物联网技术可以实现随时随地获取及传输信息,极大地丰富了人们观察世界的手段和方式,节省了人力和设备投入,提高效率;物联网还可以实现对物质世界的远程控制,以往对物体的控制大多数本地化、局域化。物联网技术借助互联网和现代通信网的泛在化实现对物体的控制,可跨地域达到任何有需求的地方。这包括后台计算机系统与前端数字终端的双向互动、远程通信、自动控制等技术的融合和应用。远程控制是数据采集之后的后续措施,即在被检测目标相关数据送到计算中心后,经自动或人工指令,通过远程通信的方式对终端发出指令,实现打开、关闭或自动修复等功能。
在某些场合,室内漏水会对人们的生产和生活造成巨大的损失,而传统的手动阀门只有在事态发展到较为严重的地步时才会引起用户的注意,针对这种情况,发明了一种可实时监控室内漏水且能及时自动关闭总阀门的无线智能水阀装置,用户可实时地通过手机APP进行监测和控制,这可以大大提高人们在某些场合的生产生活效率。
发明内容
本发明的目的就是基于射频技术(无线433Mhz传输和wifi)的功能,设计了一种可以远程实时监测室内漏水状态、远程控制阀门开关,并可以实现漏水自动关闭阀门的无线智能水阀装置,使用户可以方便、快捷地监测和控制水阀的实时状态,提高生产和生活的效率。
本发明所采用的技术方案是:
整个水阀装置包括四个部分:
节点发射器,主要包括:
供电模块单元,主要由电池供电电路和稳压电路构成;所述电池供电电路由两节12V的干电池并联供电(在12V电压条件下433M传输效率最高)和一个用于防反的二极管芯片构成,两节并联可以给电路提供足够的电流;所述稳压电路采用低压差线性稳压芯片;
电池电量采集模块单元,主要由分压电路和NMOS组成;所述的分压电路通过三个电阻将单片机AD采样的I/O口电压降到最大3.3V ;所述的NMOS栅极接收到来自单片机的使能控制高电平后导通,对应的I/O口开始进行电压采集。
漏水检测模块(短路检测)单元,由要由两个金属导片和灵敏度调节电阻组成;所述的金属导片在没有检测到漏水状态时断路,当漏水情况发生时两个导片短路,对应的单片机I/O口接地;所述的灵敏度电阻既能将对应的单片机I/O口上拉为高电平,又能控制节点感应短路状态的灵敏度;
射频控制模块单元,主要由推挽式开关控制电路和下拉电阻组成;所述的推挽式开关控制电路由NMOS、PMOS和两个电阻组成,当单片机有射频信号发送时两个MOS管导通;所述的下拉电阻将对应的单片机I/O口电位拉到0V;
433Mhz射频发射模块单元,主要有天线、433M晶振和匹配电路构成,可以向主板接收器发射漏水报警信号和电池低电量报警信号;
反馈模块单元,用来确保射频数据正确的发送,当发送信号的单片机I/O口为高电平时,对应的接收反馈信号的I/O口也为高电平;
MCU主控模块单元,由8位单片机及外围电路组成,用于响应漏水短路信号并向射频模块发送数据;
主控接收器,主要包括:
供电模块单元,主要由滤波电路、供电选择电路和稳压电路组成;所述的滤波电路将来自电源适配器的12V电压进行滤波,为电路提供稳定的直流电源;所述的供电选择电路利用二极管的反向截止特性实现电源的自动切换,当电源适配器停止供电时,9V干电池开始供电;所述的稳压电路采用低压差线性稳压芯片;
433Mhz射频接收模块单元,主要用于接收节点发射器的漏水报警信号和低电量报警信号,它与节点的发射接收距离在50m左右;
低温报警模块单元,主要由温度传感器组成,当环境温度低于5摄氏度时会向单片机发送低温报警信号;
电机驱动模块单元,主要由驱动芯片、一个双向二极管、一个电容和反馈电路组成,用于控制电磁阀的开和关;所述的驱动芯片是电压驱动芯片,为电机提供足够的驱动电压;所述的双向二极管起到保护的作用;所述的电容可以防止突变电流;所述的反馈电路用于检测阀门的开关状态,并在主板显示面板上显示出来;
蜂鸣器模块单元,用于接收单片机的控制信号并发出持续报警声;
I/0扩展模块单元,用于I/O口的扩展,单片机发出的信号通过两路I2C扩展来驱动薄膜显示板上的多个LED灯;
薄膜显示模块单元,用于显示节点和主板接收器的各项参数的工作状态;
WiFi模块单元,通过串口实现WiFi功能,与手机APP进行通信;
按键模块单元,侧边按键用于和节点发射器进行配对,CANCLE键用来消除接收器显示面板上的警报提醒和手机APP上的警报提醒;
MCU主控模块单元,由32位单片机及外围电路组成,用于接收并处理节点的报警信号及与手机APP的通信;
手机APP,包括IOS和Android两个平台,通过WiFi与主控接收器进行通信。
2按键遥控器,包括按键模块和射频发射模块,用来控制水阀的开关。
本发明使用户可以通过手机APP实时监测节点处的漏水状态,基于节点发射器的高灵敏度和射频模块的高稳定性,用户可以第一时间在APP上收到漏水的报警状态,且能清晰地看到是哪个节点发射器发出的警报,同时主控接收器会及时自动关闭水阀的主阀门。本装置具有效率高、实时性强、可靠性高、灵敏度高且抗干扰能力强等特点,并且具有良好的可维护性和扩展性,且使用方便、制造方便、成本低,节点发射器是低功耗设计,电池的续航能力极强,经济实用。
附图说明
图1为无线智能水阀装置的整体框图;
图2为主板发射器的显示面板图;
图3为手机APP显示页面图;
图4为节点发射器MCU部分的硬件原理图;
图5为节点的供电模块和电池电压采集模块硬件原理图;
图6为主控接收器的电机驱动模块硬件原理图;
图7为主控接收器的WiFi模块硬件原理图;
图8为主控接收器的供电模块硬件原理图;
图9为主控接收器的MCU部分的硬件原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,而不是限定本发明。
图1为本发明提供的无线智能水阀装置整体框图。主要包括节点发射器、主板接收器、手机APP和2按键遥控器;节点发射器用于检测漏水状态并发射信号,通过433Mhz传输模块与主控接收器通信,节点应安装在室内各处容易漏水的地方,当检测到室内漏水时会向主控接收器发送报警信号和电池电量的采集结果信号,且节点发射器是低功耗设计,由2节12V的碱性电池进行供电,静态时的整机电流为2uA左右,续航能力极强,用户不必频繁更换电池,可在室内安装多达20个节点发射器,节点与主板接收器的距离可以达到50m,覆盖范围大。
主板接收器用于接收节点发射器的信号并发出报警信号,控制水阀的开关,通过WiFi模块与手机APP进行通信。当接收到节点发射器的信号时,主控接收器的蜂鸣器会持续鸣叫并立即通过控制电机的转动来关闭水阀,同时用户在APP端会收到报警提醒。如果节点发射器的电池电量过低,则主板会发出低电量报警信号,如果环境温度低于5摄氏度会发出低温报警信号,主板接收器显示面板上对应的指示灯会被点亮,并将这些报警信号发送到用户的手机APP上;可以通过主板上的显示面板来查看整个水阀装置的状态,比如:节点发射器和主板接收器电池电量的状态、环境温度状态、漏水检测状态、每个节点的工作状态、水阀开关状态、WiFi连接状态、供电电源状态和主板接收器的异常工作状态等。
手机APP用于同步显示主板接收器显示面板上的所有参数的工作状态,能实时控制水阀的开关,还可以查看节点发射器检测到漏水的历史记录。
2按键遥控器,用来控制水阀的开关。
图2为主板发射器的显示面板图,图3为手机APP显示页面图,两者的显示参数内容大体相同,二者通过WiFi可以实时地同步显示智能水阀的工作状态,20个LED灯表示20个节点发射器的工作状态,当节点配对成功且未检测到漏水状态时,显示为绿灯;当某个节点处检测到漏水状态时显示为红灯。
主板接收器清码的步骤为(前置条件为主控板上面的数字LED灯不闪烁):主控板上电;此时数字LED灯不闪烁;表示内部有码存在;长按RESET和主控板侧边开关。数字LED灯一起闪烁,表示清码完成。
主板接收器配置遥控器的步骤为(前置条件为主控板上面的数字LED灯不闪烁):主控板上电;按一下主控板侧边开关,主控没有码时,数字LED灯的前三个进行闪烁,表示主控板进入配对模式;同时按下遥控器上面的两个按键进行配对。配对成功则数字LED灯变成数字1绿灯闪烁。
主板接收器配置节点发射器的步骤为(前置条件为主控板已经配置了遥控器):主控板上电;按一下主控板侧边开关,此时薄膜开关上数字灯呈现绿灯闪烁。薄膜开关上对应的LED指示灯会变成绿灯常亮,说明此节点发射器学习成功,同时绿灯会跳到后面一个进行闪烁,配对结束后,等待10秒,主控板退出配对模式。
主板接收器的wifi配网步骤为:阀门上电;wifi指示灯为橙色闪烁;打开手机APP,选择一个设备,进行配网。配网成功后,主板接收器的显示面板上的wifi指示灯变为绿色,同时可通过APP进行控制水阀的开关。
主板接收器的重置wifi步骤为:阀门上电;CANCEL+接收器侧边的轻触开关:同时按住这两个键3秒以上可以重置wifi。Wifi重置后,主板接收器的显示面板上的wifi指示灯变为橙色闪烁。
节点发射器发出报警射频信号后,主控接收器接收到报警信号并驱动蜂鸣器响起,WATER DETECTED指示灯亮为红灯(平常状态为绿灯),数字LED灯通过红灯指示是哪个发射器报警,同时阀门及时自动关闭。此时无法通过手机APP和遥控器进行阀门控制,只能通过短按CANCEL键来取消报警,取消报警后蜂鸣器不响,WATER DETECTED指示灯亮为绿灯,报警的数字LED灯变为绿灯,此时可以用APP和遥控器控制阀门。
复位水阀:当阀门处于关闭状态,短按RESET按键,水阀会重新打开。
AC POWER OUTAGE电源指示灯:使用适配器进行供电时,亮绿灯;使用电池进行供电时,亮红灯。
BATTERY LOW MAIN UNIT主板接收器电池低电量报警指示灯:非电池供电时,不亮;电池供电且电池电量充足时,亮绿灯;电池供电且电池电量不足时,为橙色灯闪烁。
BATTERY LOW SENSOR节点发射器低电压报警指示灯:绿色表示无低电压报警,低电压报警时变为橙色,数字LED灯通过红灯指示是哪个发射器报警。
STATUS OK工作状态指示灯:阀门正常工作时,亮为绿灯;阀门不正常工作时,亮为红灯。
BATT/TEMP低温报警指示灯:外界温度低于5摄氏度时,亮为红灯;外界温度高于5摄氏度时,亮为绿灯。
TBD水阀开关状态指示灯:阀门开启时,亮为绿灯;阀门关闭时,亮为红灯。
当某个节点发射器检测到漏水状态时,APP上对应的节点发射器图标会点亮呈现红色,伴有文字提醒、声音和振动警报,用户可以在APP上看到阀门状态显示图标,显示正常开启状态(绿色指示)和关闭状态(红色指示),并附带手动控制阀门的打开和关闭的Switch选项,但当漏水警报触发时,APP上的阀门控制Switch选项将无法使用,只有按下RESET键解除警报后,APP上的阀门Switch选项才会重新激活。在APP上点击History选项可以查看水阀工作的历史记录:月周日的此水阀系统的状态提示和报警记录。
图4为节点发射器MCU部分的硬件原理图,当节点感应器所处的环境漏水时,两个导片H2O1和H2O2会被短路相连接,使对应的单片机I/O口从高电平变成低电平,这个下降沿会触发单片机开始工作,电阻R10的取值会对灵敏度产生影响,当阻值过小时电流会很大,功耗很大,当取值较大时,流过的电流会很小,此时检测灵敏度较高,通过多次尝试选取1M欧姆较为合适;当单片机采集到低电平时,PC5这个I/O口输出高电平,NMOS管Q2高电平导通接地,PMOS管Q1低电平导通,433M发射模块KL1000的Data端口就有了高电平的信号,控制发射模块内部的晶振起振,发射信号;PB5端口为反馈信号接收端,当433M发射模块发射信号时也即PC5发送为高电平时,Q3导通,该I/O口采样为高电平。图5为节点的供电模块和电池电压采集模块的硬件原理图,供电模块通过低压差降压稳压芯片给MCU供电,电池电压采集模块可以检测电池电量,在低电压状态时向主板接收器发出报警信号。图6为主控接收器的电机驱动模块硬件原理图,电机驱动电路通过接收来自单片机的控制信号来控制电磁阀门的开或者关。图7为主控接收器的wifi模块硬件原理图,通过串口实现wifi功能。图8为主控接收器的供电模块硬件原理图,主要由外部电源适配器供电,当外部停止供电时,会自动切换到电池供电。图9为主控接收器的MCU部分的硬件原理图,该部分用于处理各种信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.实时漏水检测的无线智能水阀装置,其特征在于,包括:
节点发射器,用于检测漏水状态并发射漏水信号,通过433Mhz传输模块与主控接收器通信;
主控接收器,用于接收节点发射器的信号并发出报警信号,通过WiFi模块与手机APP进行通信;
手机APP,用于同步显示主控接收器显示面板上的所有参数的工作状态;
二按键遥控器,用来控制水阀的开关;
所述的节点发射器包括:
供电模块单元,主要由电池供电电路和稳压电路构成;所述电池供电电路由两节12V的干电池并联供电和一个用于防反的二极管芯片构成,所述稳压电路采用低压差线性稳压芯片;
电池电量采集模块单元,主要由分压电路和NMOS组成;所述的分压电路通过三个电阻将单片机AD采样的I/O口电压降到最大3.3V ;所述的NMOS栅极接收到来自单片机的使能控制高电平后导通,对应的单片机I/O口开始进行电压采集;
漏水检测模块单元,主要由两个金属导片和灵敏度调节电阻组成;所述的金属导片在没有检测到漏水状态时断路,当漏水情况发生时两个金属导片短路,对应的单片机I/O口接地;所述的灵敏度调节电阻既能将对应的单片机I/O口上拉为高电平,又能控制节点感应短路状态的灵敏度;
射频控制模块单元,主要由推挽式开关控制电路和下拉电阻组成;所述的推挽式开关控制电路由NMOS、PMOS和两个电阻组成,当单片机有射频信号发送时,两个MOS管导通;所述的下拉电阻将对应的单片机I/O口电位拉到0V;
433Mhz射频发射模块单元,主要由天线、433M晶振和匹配电路构成,向主控接收器发射漏水报警信号和电池低电量报警信号;
反馈模块单元,用来确保射频数据正确的发送,当发送信号的单片机I/O口为高电平时,对应的接收反馈信号的I/O口也为高电平;
MCU主控模块单元,由8位单片机及外围电路组成,用于响应漏水短路信号并向射频控制模块单元发送数据;
所述的主控接收器包括:
供电模块单元,主要由滤波电路、供电选择电路和稳压电路组成;所述的滤波电路将来自电源适配器的12V电压进行滤波,为电路提供稳定的直流电源;所述的供电选择电路利用二极管的反向截止特性实现电源的自动切换,当电源适配器停止供电时,9V干电池开始供电;所述的稳压电路采用低压差线性稳压芯片;
433Mhz射频接收模块单元,主要用于接收节点发射器的漏水报警信号和低电量报警信号;
低温报警模块单元,主要由温度传感器组成,当环境温度低于5摄氏度时会向单片机发送低温报警信号;
电机驱动模块单元,主要由驱动芯片、一个双向二极管、一个电容和反馈电路组成,用于控制电磁阀的开和关;所述的驱动芯片是电压驱动芯片,为电机提供足够的驱动电压;所述的双向二极管起到保护的作用;所述的电容用于防止突变电流;所述的反馈电路用于检测阀门的开关状态,并在显示面板上显示出来;
蜂鸣器模块单元,用于接收单片机的控制信号并发出持续报警声;
I/0扩展模块单元,用于I/O口的扩展,单片机发出的信号通过两路I2C扩展来驱动薄膜显示板上的多个LED灯;
薄膜显示模块单元,用于显示节点和主控接收器的各项参数的工作状态;
WiFi模块单元,通过串口实现WiFi功能,与手机APP进行通信;
按键模块单元,侧边按键用于和节点发射器进行配对,CANCLE键用来消除接收器显示面板上的警报提醒和手机APP上的警报提醒;
MCU主控模块单元,由32位单片机及外围电路组成,用于接收并处理节点的报警信号及与手机APP的通信。
2.如权利要求1所述的实时漏水检测的无线智能水阀装置,其特征在于:
节点发射器如果检测到自身电池电量过低,会向主控接收器发射低电压报警信号,主控接收器显示面板上的BATTERY LOW SENSOR指示灯会变为橙色;
主控接收器在接收到节点发射的漏水信号时,主控接收器的蜂鸣器会持续鸣叫并立即通过控制电机的转动来关闭水阀,同时用户在手机APP上会收到报警提醒,并且主控接收器内置温度传感器,如果环境温度低于5摄氏度会发出低温报警信号,主控接收器显示面板上对应的指示灯会被点亮,并将这些报警信号发送到用户的手机APP上;
手机APP,同步显示主控接收器显示面板上的所有参数的工作状态,且能实时控制水阀的开关,点击History选项可以查看水阀工作的历史记录。
3.如权利要求1所述的实时漏水检测的无线智能水阀装置,其特征在于:
主控接收器清码的步骤为:主控板上电;此时数字LED灯不闪烁;表示内部有码存在;长按RESET和主控板侧边开关;数字LED灯一起闪烁,表示清码完成;前置条件为主控板上面的数字LED灯不闪烁;
主控接收器配置二按键遥控器的步骤为:主控板上电;按一下主控板侧边开关,主控没有码时,数字LED灯的前三个进行闪烁,表示主控板进入配对模式;同时按下二按键遥控器上面的两个按键进行配对;配对成功则数字LED灯变成数字1绿灯闪烁;前置条件为主控板上面的数字LED灯不闪烁;
主控接收器配置节点发射器的步骤为:主控板上电;按一下主控板侧边开关,此时薄膜开关上数字灯呈现绿灯闪烁;薄膜开关上对应的LED指示灯会变成绿灯常亮,说明此节点发射器学习成功,同时绿灯会跳到后面一个进行闪烁,配对结束后,等待10秒,主控板退出配对模式;前置条件为主控板已经配置了二按键遥控器;
主控接收器的wifi配网步骤为:阀门上电;wifi指示灯为橙色闪烁;打开手机APP,选择一个设备,进行配网;配网成功后,主控接收器的显示面板上的wifi指示灯变为绿色,同时通过APP进行控制水阀的开关;
主控接收器的重置wifi步骤为:阀门上电;CANCEL+接收器侧边的轻触开关:同时按住这两个键3秒以上可以重置wifi;Wifi重置后,主控接收器的显示面板上的wifi指示灯变为橙色闪烁;
取消报警的步骤为:通过短按CANCEL键来取消报警,取消后蜂鸣器不响,WATERDETECTED指示灯亮为绿灯,报警的数字LED灯变为绿灯,此时用APP和二按键遥控器控制阀门;
复位水阀的步骤为:当阀门处于关闭状态,短按RESET按键,水阀会重新打开。
4.如权利要求1所述的实时漏水检测的无线智能水阀装置,其特征在于,还包括:
AC POWER OUTAGE电源指示灯:使用适配器进行供电时,亮绿灯;使用电池进行供电时,亮红灯;
BATTERY LOW MAIN UNIT主控接收器电池低电量报警指示灯:非电池供电时,不亮;电池供电且电池电量充足时,亮绿灯;电池供电且电池电量不足时,为橙色灯闪烁;
BATTERY LOW SENSOR节点发射器低电压报警指示灯:绿色表示无低电压报警,低电压报警时变为橙色,数字LED灯通过红灯指示是哪个发射器报警;
STATUS OK工作状态指示灯:阀门正常工作时,亮为绿灯;阀门不正常工作时,亮为红灯;
BATT/TEMP低温报警指示灯:外界温度低于5摄氏度时,亮为红灯;外界温度高于5摄氏度时,亮为绿灯;
TBD水阀开关状态指示灯:阀门开启时,亮为绿灯;阀门关闭时,亮为红灯。
5.如权利要求1所述的实时漏水检测的无线智能水阀装置,其特征在于:
当某个节点发射器检测到漏水状态时,APP上对应的节点发射器图标会点亮呈现红色,伴有文字提醒、声音和振动警报,用户可以在APP上看到阀门状态显示图标,显示正常开启状态和关闭状态,并附带手动控制阀门的打开和关闭的Switch选项,但当漏水警报触发时,APP上的阀门控制Switch选项将无法使用,只有按下RESET键解除警报后,APP上的阀门Switch选项才会重新激活。
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