基于STM32与ESP32的物联网智能节水系统

基金项目：天津职业技术师范大学市级大学生创新创业训练计划项目（202110066074）；横向科研合作项目（HXJZ230087）

摘要：针对家庭热水管路存在的水资源浪费现象，本文基于STM32与ESP32的物联网智能节水系统。为了保证系统运行的稳定性，数据采集与硬件控制两部分功能由STM32F103C8T6实现，而ESP32进行物联网层面的数据远程传输。首先，利用STM32F103C8T6控制各外设采集水位、水温、水流量等数据，再通过MQTT协议向OneNet传输数据，最后利用微信小程序实现数据可视化，并作为用户控制终端远程控制系统。STM32F103C8T6利用异步串行通讯的方式与ESP32数据进行传输。

关键词：节水系统；物联网；无线通讯；自动控制

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一，引言：

家庭热水管路中不可避免存在积留的冷水，这些不满足用户洗浴温度的水可能被无故浪费。本文基于家庭热水管路，以高效节水为特色设计该系统，旨在解决生活用水无故浪费的情况。本系统以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，结合XGZP6847A、DS18B20和HLK-V20等传感器检测水位、水温和用水量，配合电磁阀与止回阀改变水路，通过OLED屏幕、用户移动终端显示检测数据，并基于MQTT协议通过ESP32模块向OneNet云平台传输数据，小程序调用OneNet的API接口获取相关数据并进行可视化，最终实现用户移动终端微信小程序进行数据交互和精准控制，以及积留冷水被储存的节水目的。

二，系统设计：

本系统主要由底层电控部分与上层物联网部分组成。底层用于获取传感器数据、控制电磁阀开闭和过载报警，物联网端则进行数据的处理、储存和分析，并直接沟通用户终端，实现用户对系统运行状态的远程监控与控制。图1为系统框图。

三，硬件设计

3.1PCB设计

家庭热水管路的冷水滞流处理装置电路的PCB 是基于STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计的，在一块尺寸为80MM*80MM 的PCB 电路中，集成了STM32F103C8T6单片机最小系统，MP2225-GJ降压电路，OLED 模块，ESP32 WiFi模块，HLK-V20语音模块等，同时PCB还给DS18B20温度传感器和XGZP6847A压力传感器预留了外部安装接口，给HLK-V20语音模块预留了麦克风和扬声器连接接口。为实现家庭热水管路的冷水滞流处理装置的成型和后期的多终端控制提供了坚实的硬件保障。工艺方面， PCB 结构布局合理，采用了双层的结构设计，并采用了短路过孔设计，改善信号的传输。所有元器件均选用了贴片元件，整体采用了全贴片式的元件封装，进一步优化了电路的性能和体积。供电电路做了覆铜处理，在ESP32无线通信模块的位置做了禁止区域，该设计能够有效降低阻抗和高电平干扰，确保信号收发的稳定性。综上，本项目所用的PCB 功能完备，设计可靠，能够满足项目的使用需求。图2为PCB设计图。

3.2硬件搭建

系统主体为圆柱状罐体结构，其内胆为容积可选的储水罐，PCB板与导线布置在外壳与内胆的夹层中，与水流隔离，绝缘保护。

罐体中装有一根通水管路，当温度符合设定温度时，电磁阀1开启，水流流出；若不符合，电磁阀1保持关闭，水流流入罐体被储存，若水温符合条件，电磁阀1开启，水流流出；若水温一直不达标，水罐即将过载时，常闭电磁阀断开，水流停止流入。用户可以通过按动按键开启常开电磁阀使水流流出。

图3为硬件搭建图。

四，物联网平台的搭建

4.1数据传输

为了实现数据的远程存储与分析，系统将采集到的水量数据通过MQTT协议上传至OneNet云平台。OneNet是一个专为物联网设备设计的云平台，提供设备管理、数据存储和分析功能。ESP32与OneNet之间通过MQTT协议进行通信，MQTT的低带宽、高效率和实时性确保了数据的快速上传和稳定传输。

4.2物联网架构

本系统的物联网架构由三大部分组成：数据采集层、数据传输层和数据可视化层。

ESP32与OneNet之间通过MQTT协议进行通信。在本系统中，ESP32会将数据通过MQTT协议以建立URL的形式上传至OneNet云平台，为后续的数据存储、分析做准备；ESP32设备通过Wi-Fi连接到互联网，并与OneNet云平台建立MQTT连接。ESP32获取到新的水量数据时，它将通过MQTT协议将数据上传到OneNet平台的指定主题。OneNet平台会实时存储这些数据，并提供接口供上层应用（如手机小程序）查询与展示。

五，结论

本文针对家庭热水管路常见的水资源浪费现象设计了一种基于STM32与ESP32的物联网智能节水系统。通过利用STM32F103C8T6控制各外设读取水位水温数值，再由ESP32传至OneNet云平台，最终以微信小程序为用户控制终端进行数据可视化与远程控制，做到节水系统的智能化。以STM32F103C8T6为主控，控制电磁阀开闭改变水流流向。总体上，本系统做到了数据的实时采集与传输、STM32主控的实时决策判断，另外，本系统作为外接设备可通过软管接入大部分热水器接口，拥有便捷性与安装灵活性，极大程度提高提高了泛用性。

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