基于Zigbee的智能节水器系统设计

曹行 张立增 尹辉娟

【摘要】 针对学生公共水房刷卡接水，取卡停水时往往有水溢出的情况，提出了以基于HX711的重力传感器以及Zigbee模块为核心器件的自动节水方案。将重力感应器与Zigbee模块协调器连接，Zigbee终端模块与继电器相连。当物体重量达到一定数值后，Zigbee协调器模块与Zigbee终端进行通信，从而控制继电器的闭合和断开。

【关键字】 重力传感器 Zigbee模块 节水

Abstract：When fetch water， students may encounter an annoying situation that the water supply cannot correctly shut off even after the removal the card. To address this issue， we propose an automatic water saving scheme. The core component are gravity sensor based on HX711， and Zigbee module. Connected the gravity sensor with Zigbee coordinator module， and Zigbee moduler with relays， when the weight of the object reaches a certain value， the Zigbee coordinator module will communicate with Zigbee terminal， enabling the control of the relays closing and opening.

Key words：gravity sensor Zigbee module display module Save water

一、引言

目前在众多学校、单位等公共水房都采用刷卡接水的模式，并且没有传统的水龙头控制，这就造成了取卡不及时而浪费水资源的情况。日积月累浪费水的数量是巨大的，对此，我们利用重力传感器、Zigbee模块做出了一套可以自动停水的装置，达到了节水的目的。

二、总体设计方案

本系统由两大部分组成：重力传感器模块、Zigbee模块。重力传感器模块负责检测重量，Zigbee模块负责判断重量是否达到设定值、通信以及控制继电器的开关。

将水壶放在重力传感器的底座上，当刷卡时重力传感器的数值初始化，出水后水壶的重量会增加，重量达到设定值后，Zigbee协调器模块与Zigbee终端进行通信，Zigbee终端接到信号后会及时关闭水龙头，达到了节水的目的。

系统结构框图如图1所示。

三、硬件设计

3.1 基于CC2530的Zigbee模块

在水房中会有许多接水处，如果采用CC1101无线收发模块等进行通信，各节水装置之间必会产生干扰。为了解决干扰问题，本设计采用了基于CC2530的Zigbee的模块。TI公司的推出的CC2530是第二代的Zigbee 收发器，主要用于2.4 GHz的ISM频段（具有16个不同的信道）[1]。其集成了1个高性能的RF收发器和1个优化的低功耗的8051微控制器内核。正常工作需要的电压：2-3.6V，典型输入数值为3.3V。主要包含：电源接口、ADC接口、RS232接口、仿真接口、天线接口、扩展接口。

Zigbee协调器模块与重力传感器模块连接图如图2所示。

3.2 重力传感器模块

本装置采用基于HX711的重力传感器，HX711A/D转换模块集成了：稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路，模块采用21位高精度的A/D转换器芯片HX711，具有两路输入模拟通道，内部集成128倍增益可编程放大器[2]。输入电路可配置为提供桥压的电桥式（如压力、称重）传感器模式，具有集成度好、响应快、抗外界干扰强等优点。所以其是一款理想的精度高、价格低的前端采样模块。

3.3 继电器电路

继电器由控制电路、驱动电路和被控电路构成，控制电路由器件三极管和发光二极管D1组成；驱动电路由光电晶体管D2和整流器JK组成。当给控制电路两端加上电压后，会有电流流过发光二极管D1，二极管发出光线；驱动电路中的光电二极管D2吸收到控制电路中发光二极管发出的光线，产生很大的电流，从而触发整流器给负载电路产生强大的电流。当控制电路两端没有电压时，发光二极管没法给驱动电路中的光电晶体管发送光线，所以整流器没法产生电流，没法驱动负载[3]。

本装置采用了高电平触发方式，当继电器的IN端口输入为高电平时，继电器才会跳变。IN端口与Zigbee终端模块的P0_6 I/O口相连，同时给继电器提供5V电源供电。

四、软件设计

（1）首先对Zigbee进行初始化，通过程序配置两个Zigbee模块分别为协调器模块和终端模块，并设定Zigbee模块间的信道。

（2）初始化重力传感器模块，在程序中设定临界的重量值。

（3）重力传感器采集数据并传给Zigbee协调器，当数值大于设定值时执行通信函数。

（4）Zigbee终端模块判断是否收到协调器指令，判断收到指令后来控制继电器的关闭。

软件流程图如图3所示。

五、测试与结果

根据智能节水器电路设计出如图4所示的实物图

测试步骤如下：

（1）通过程序设定临界重量为5g。

（2）给Zigbee模块模块上电。

（3）将重力传感器模块、Zigbee模块初始化。

（4）第一次在重力传感器上放1g砝码，此时两个Zigbee模块没有通信。

（5）第二次在重力传感器上放5g砝码，此时两个Zigbee模块开始通信。

经测试智能节水器反应灵敏，可以及时控制水龙头，从而达到节水的目的，体现了节能减排的理念。

六、结论

此系统达到了自动节水的目的，能有效的节约水资源，智能节水器有以下创新点：

智能节水器采用了Zigbee的通信方式，Zigbee具有低能耗、自组织、低复杂度的特点，且由于信道的划分，避免了各个节水器之间的信号干扰。

此系统结构简单，易安装，具有了很好的推广性。

后期养护简便，维护要求低。

参 考 文 献

[1] 刘欣茹.Zigbee无线窗控系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014：5-6.

[2] 王小娟.基于HX711数显称重仪的设计[J].武汉船舶职业技术学院学报，2015，01：36-38.

[3] 聂川，秦会斌.基于ZigBee的电风扇一继电器控制[J].电子与封装，2015，09：44-47.