1、本栏目责任编辑：梁 书 工程应用C o m p u t e r K n o w l e d g e a n d T e c h n o l o g y 电脑知识 与技术 第 19 卷第 1 期(2023 年 1 月）第 19 卷第 1 期(2023 年 1 月）自动感知水龙头的设计与实现吴仪，朱泳瑛，谈潘攀（成都师范学院 计算机科学学院，四川 成都 611130)摘 要：基 于 物 联 网 的 自 动 感 应 水 龙 头 系 统，利 用 红 外 漫 反 射 原 理 和 超 声 波 测 距 原 理，由 红 外 发 射 与 接 收 电 路、超 声 波 传感 器、控 制 电 路、电 磁 阀、电 源
2、等 组 成。当 人 或 物 体 靠 近 水 龙 头 时，红 外 发 射 光 电 管 发 出 的 红 外 经 人 和 物 体 反 射 到 红 外接 收 光 电 管，接 收 光 电 管 接 收 到 的 反 射 光 信 号 自 动 转 换 为 电 信 号，控 制 电 磁 阀 动 作 打 开 水 源 1；反 之 自 动 关 闭 水 源。通过 声 波 的 传 播 距 离 来 衡 量 水 器 是 否 盛 满,如 果 盛 满 则 关 闭 水 源，相 比 传 统 手 动 水 龙 头，能 够 减 少 因 为 生 活 节 奏 的 加 快 而造 成 的 水 资 源 浪 费 现 象。为 生 活 提 供 便 利，也 满
3、 足 人 们 对 高 品 质 和 智 能 化 生 活 的 向 往。系 统 整 体 设 计 较 为 简 单 实 用，主 要 针 对 有 老 人 和 小 孩 的 家 庭，也 可 适 用 于 商 场、学 校、办 公 大 楼 等 人 员 密 集 流 动 场 所。系 统 的 主 要 功 能 包 括：远 程 控制水龙头、定时关闭、自动感应、自动蓄水，自动提醒、反馈信息等功能。关键词：自动感应水龙头；物联网；智慧城市；节约用水；远程控制中图分类号：TP 302.1 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)01-0 118-03开放科学（资源服务）标识码(OSID):1 引言随 着 时 代 的
4、进 步，水 龙 头 已 成 为 人 们 日 常 生 活 中必 不 可 少 的 必 需 品。在 公 共 场 所，由 于 人 员 流 动 性 比较 大，公 共 设 施 的 卫 生 情 况 普 遍 比 较 恶 劣，传 统 水 龙头 必 须 通 过 人 手 操 作，很 容 易 造 成 病 菌 的 大 规 模传播 2。日 常 生 活 中 人 们 也 会 时 常 会 忘 记 关 家 里 的 水 电，尤 其 是 水 龙 头。又 或 是 匆 匆 忙 忙 地 离 开 家 水 龙 头 的旋 钮 没 有 拧 紧，造 成 水 资 源 的 浪 费。现 在 大 多 数 的 家庭 不 仅 仅 有 忙 碌 的 年 轻 人，还
5、 有 健 忘 的 老 人 和 调 皮 的孩 子，老 人 会 因 为 出 门 忘 记 关 上 水 龙 头，小 孩 会 因 为好 奇 或 者 好 玩 将 水 一 直 放 着，甚 至 被 其 他 的 事 情 吸 引不 管 是 否 关 好 了 水 龙 头 就 去 玩 耍，又 或 是 停 水 后 忘 记关 水 龙 头 等 情 况。为 了 满 足 人 们 对 高 品 质 和 智 能 化生 活 的 向 往，为 了 给 人 们 提 供 便 利 和 节 约 水 资 源。因此，研 究 智 能 自 动 感 应 水 龙 头 及 其 应 用，有 着 非 常 重要 的 意 义。本 设 计 就 是 基 于 超 声 波 和
6、红 外 线 的 智 能感 知 水 龙 头。具 有 智 能 开 关、定 时 关 闭、自 动 感 应、自动蓄水，自动提醒、反馈提醒等功能。2 系统开发环境2.1 系统开发环境本 系 统 使 用 Android Studio 作 为 App 开 发 软 件，使用 Keil 为 STM 32 开 发 板 编 写 程 序。在 通 信 方 面 使 用WiFi 模 块，将 串 口 或 TTL 电 平 转 为 符 合 WiFi 无 线 网络 通 信 标 准 的 嵌 入 式 模 块，内 置 无 线 网 络 协 议IEEE 802.11 协 议 栈 以 及 TCP/IP 协 议 栈 3。将 设 备 连 接到 Wi
7、Fi 无 线 网 络 上，进 行 互 联 网 或 局 域 网 通 信，实 现联 网 功 能。硬 件 底 层 采 用 C 语 言 实 现 传 感 器 对 数 据的 接 收 和 监 测 功 能 以 及 平 衡 调 节 系 统 的 功 能 实 现，终端使 用 C#语言 完成 管理 和接 口功 能，将接 收到 的数 据显 示 在 手 机 端 应 用 程 序 上，并 通 过 写 有 接 口 的 开 关 进行 对 系 统 的 控 制。面 向.NetFramework 的 语 言 编 译 器提 供 了 生 成 中 间 语 言 代 码 的 机 制，这 种 机 制 使 得 不 同语 言 之 间 相 互 操 作
8、成 为 可 能。而 后 台 在.NetFarme work 框 架 的 基 础 上 与 数 据 库 相 连。就 可 以 使 用MySQL 来对用户数据进行存储和各方面的操作。2.1.1 硬件开发环境开发板：STM 32 开发板。传 感 器：E 3JK 红 外 线 传 感 器、HC-SR 04 超 声 波 传感 器、DS 18B 20 温 度 传 感 器、DHT 11 温 湿 度 传 感 器、TS-300B 浊度传感器。WIFI 模块：ATK-ESP 8266 透传模块。其他硬件：电磁阀、电源。2.1.2 软件开发环境操作系统：Windows 10。数据库：MySQL。收稿日期：2022-06-
9、12基金项目：四川省大学生创新创业训练计划项目：感应水龙头模块设计与实现（项目编号：S 201914389136)作者简介：吴仪(2001)，女，陕西西安人，学士，研究方向为计算机科学与技术。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044C o m p u t e r K n o w l e d g e a n d T e c h n o l o g y 电脑知识与技术Vol.19,No.1,January 2023118DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0010工程应用 本栏目责任编辑：梁 书C o m p u
10、 t e r K n o w l e d g e a n d T e c h n o l o g y 电脑知识与技术 第 19 卷第 1 期(2023 年 1 月）第 19 卷第 1 期(2023 年 1 月）开发语言：C、Java。开发平台：Android studio、KEIL。3 系统设计3.1 总 体功能设计基 于 物 联 网 的 自 动 感 应 水 龙 头 系 统 的 主 要 功 能设 计 便 是 感 应 出 水、智 能 蓄 水，实 时 监 测 水 温 的 变 化及 水 龙 头 所 在 室 内 的 环 境 变 化 情 况 以 及 水 质 的 好 坏。本系统整体分为五大模块。红 外 自
11、 动 感 应 模 块：利 用 红 外 漫 反 射 原 理，当 人或 物 体 靠 近 感 应 水 龙 头 时，反 射 红 外 光，光 敏 元 件 接收 到 光 信 号，从 而 进 行 光 电 转 换，控 制 电 磁 阀 打 开 水龙 头，当 人 手 或 物 体 离 开 感 应 水 龙 头 时，接 收 光 电 管接 收 不 到 反 射 光 信 号，驱 动 电 路 断 开 电 磁 阀 电 源，从而关闭水龙头。自 动 蓄 水 模 块：使 用 超 声 波 传 感 器，利 用 超 声 波测 距 原 理，当 自 动 感 应 到 水 龙 头 下 方 放 置 的 存 水 容 器时，自 动 感 应 水 龙 头 感
12、 应 出 水，容 器 盛 满 水 后，水 龙 头自 动 关 闭。主 要 是 通 过 超 声 波 的 传 播 长 度 来 测 量 水是否盛满容器，进而控制水龙头的水流。定 时 关 闭 模 块：规 定 一 个 阀 值，当 超 时 洗 涤 时，水龙头自动关闭。环 境 监 测 模 块：采 用 数 字 温 度 传 感 器、浊 度 传 感器和温湿度传感器，监控环境的实时数据变化情况。用 户 提 醒 模 块：将 温 湿 度 及 水 质，及 盛 水 容 器 是否水满等的信息通过手机 App 反馈给客户。由 Stm 32 单片机 作为主 要控制 开发板，首先利 用不 同 的 传 感 器 采 集 传 输 数 据
13、到 Stm 32 单 片 机，单 片 机进 行 数 据 处 理 后，ESP 8266 模 块 通 过 无 线 网 络 将 数 据发 送 到 移 动 设 备。WiFi 模 块 的 主 要 功 能 是 与 串 口 通信，将其转 至 WiFi，Stm 32 单片机 将数据 进行处 理后发送 到 ESP 8266 模 块，对 单 片 机 来 说，仅 通 信 即 可，不 需知 晓 此 协 议；另 一 个 功 能 是 用 来 充 当 WiFi 热 点，手 机搜 索 使 用 ESP 8266 模 块 建 的 WiFi 名 称 就 能 进 行 连 接。具体信息传输系统框架图（如图 1 所示）。图 1 信息传输
14、框架图3.2 数据库设计本 系 统 采 用 关 系 型 数 据 库 MySQL，录 入 并 存 储 用户 信 息、水 温 信 息、室 内 湿 度 信 息、水 质 浊 度 等 历 史 数据，方 便 前 端 用 户 通 过 响 应 的 接 口 从 数 据 库 中 调 取数据。用 户 表 用 来 存 放 记 录 本 系 统 所 有 用 户 的 基 本 信息，包 括 id，username，password，同 时 也 含 有 各 种 数 据的类型及属性等基础信息。用户表（如表 1 所示）。表 1 用户表名idusernamepassword类 型intvarcharvarchar长 度202020允
15、许空否否否主 键是默认值data 表 用 来 存 放 本 系 统 中 所 有 传 感 器 及 显 示 出来 的 环 境 监 测 数 据 的 信 息，包 括 id，wendu（温 度），shidu（湿 度），zhuodu（浊 度），同 时 也 含 有 各 种 数 据 的类型及属性等基础信息。data 表（如表 2 所示）。表 2 data 表名idwendushiduzhuodu类 型intvarcharvarcharvarchar长 度20202020允许空否否否否主 键是默认值0004 系统实现自 动 感 知 水 龙 头 首 先 采 用 了 反 射 式 红 外 传 感 器。红 外 线 的 发
16、 射 和 接 收 一 般 使 用 红 外 发 光 二 极 管 和 红外 接 收 管 来 完 成。当 有 物 体 靠 近 时，一 部 分 红 外 光 被反 射 到 接 收 管。红 外 线 控 制 自 动 水 龙 头 的 控 制 过 程是:当人或物 体靠近自 动水龙头 时，红外发射 光电管发出 的 红 外 经 人 和 物 体 反 射 到 红 外 接 收 光 电 管。接 收光 电 管 接 收 到 的 反 射 光 信 号 自 动 转 换 为 电 信 号，经 过后 续 电 路 进 一 步 放 大、整 形、译 码，最 后 驱 动 电 路 控 制电 磁 阀 动 作 打 开 水 源 4。当 人 手 或 物 体
17、 离 开 自 动 水 龙头 时，接 收 光 电 管 接 收 不 到 反 射 光 信 号，驱 动 电 路 断开电磁阀电源，从而关闭水源。本 水 龙 头 采 用 了 超 声 波 测 距 原 理，发 射 器 发 出 的超 声 波 以 速 度 v 在 空 气 中 传 播，在 到 达 被 测 物 体 时 被反 射 返 回，由 接 收 器 接 收，其 往 返 时 间 为 t，由 s=vt/2 即可 算 出 被 测 物 体 的 距 离 5。即 通 过 声 波 的 传 播 距 离 来衡 量 水 是 否 盛 满 容 器，进 而 控 制 水 龙 头 的 水 流。再 加之 水 温 实 时 监 测 功 能，环 境 实
18、 时 监 测 功 能，水 质 浑 浊程度检测功能等分析确定了系统的架构。4.1 水龙头自动感应使 用 红 外 线 传 感 器 控 制 电 磁 阀 从 而 控 制 水 龙 头的 打 开 和 关 闭，当 手 或 物 体 放 在 红 外 线 传 感 器 附 近时，电 磁 阀 打 开，当 手 或 物 体 离 开 时，电 磁 阀 关 闭。以下为自动感应实现图（如图 2 所示）。119本栏目责任编辑：梁 书 工程应用C o m p u t e r K n o w l e d g e a n d T e c h n o l o g y 电脑知识 与技术 第 19 卷第 1 期(2023 年 1 月）第 19
19、 卷第 1 期(2023 年 1 月）图 2 自动感应实现图4.2 水龙头自动蓄水使 用 超 声 波 测 距 原 理，利 用 超 声 波 传 感 器，设 定距 离 为 10 厘 米，当 容 器 放 在 水 龙 头 下 方 时，水 龙 头 自动 出 水，容 器 内 水 面 距 离 水 龙 头 10 厘 米 时，水 龙 头 会自动关闭。4.3 水满智能提醒根据需 求设计 水满智 能提醒 功能，使用 WiFi 模块进 行 串 口 通 信，将 数 据 发 送 给 手 机 App。当 感 应 水 龙头 下 的 容 器 盛 满 水 时，感 应 水 龙 头 自 动 关 闭 并 提 醒 用户水已盛满。App
20、中水满智能提醒如图 3 所示。图 3 水满智能提醒图图 4 超时关闭图4.4 定时关闭定 时 关 闭 功 能，设 置 一 个 时 间 阀 值，若 超 时 洗 涤，感应水龙头将自动关水。图 4 为 App 中超时关闭图。4.5 环境实时监测环 境 监 测 功 能，用 来 显 示 串 口 信 息，可 以 查 看 部分 实 时 环 境 监 测 到 的 数 据，在 数 据 显 示 的 时 候 同 时 也将 数 据 存 入 数 据 库 中 进 行 保 存。可 以 根 据 不 同 季 节设 置 阀 值，来 控 制 不 同 条 件 的 正 常 范 围。可 以 在 此 控制 部 分 环 境 监 测 功 能 硬
21、 件 的 开 关，调 节 系 统 环 境 使 其达 到 平 衡 稳 定 状 态。以 下 为 App 中 湿 度 显 示 测 图（如图 5 所示）。图 5 环境实时监测图图 6 水质浊度检测图4.6 水质浊度检测水 质 浊 度 检 测 功 能，使 用 浊 度 传 感 器 测 量 水 的 浑浊 程 度，可 以 在 此 看 到 自 动 感 应 水 龙 头 流 出 自 来 水 的水质浑浊程度。水质浊度检测图（如图 6 所示）。5 总结自 动 感 知 水 龙 头 是 为 了 解 决 老 人 小 孩 及 上 班 族 忘记 关 闭 水 龙 头 而 造 成 巨 大 的 浪 费 来 设 计 的 一 款 水 龙头
22、，已 经 基 本 完 成 了 水 龙 头 的 温 湿 度 检 测、浊 度 检 测、定 时 关 闭，自 动 蓄 水，水 满 提 醒 等 功 能，是 一 款 软 硬 件结 合 的 设 计 产 品，但 是 由 于 开 发 能 力 有 限，对 于 系 统 的封 装 及 远 程 控 制 水 龙 头 的 开 关 还 没 有 实 现，水 质 检 测过 于 简 单，很 多 功 能 有 待 进 一 步 的 研 究 和 开 发。参考文献：1 长 沙 鲁 维 湘 机 电 科 技 有 限 公 司.一 种 感 应 水 龙 头:中 国,201711146231.3 P.2017-11-15 2019-05-24.2 哈 尔 滨 网 腾 科 技 开 发 有 限 公 司.一 种 红 外 传 感 技 术:中 国,201210529246.9 P.2012-12-08.3 郦 丽 华.浅 谈 如 何 引 导 学 生 剖 析 电 路 J.素 质 教 育 论 坛（上半月）,2010,3969(10):1002-7661.4 程 爽.四 轮 机 器 人 的 设 计 及 其 编 队 研 究 D.武 汉:华 中 科 技大学,2016.5 呼 延 俊 希,盛 旺,王 文 杰,等.基 于 超 声 测 速 技 术 的 数 字 大 气环境因素测量仪 J.电子科技,2011,24(10):42-47.【通联编辑：梁书】120
