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基于ESP32液位自动检测与泵入控制系统

2025-03-06 66 上传者：管理员

摘要：当前，贵州省内众多乡村的饮水工程普遍采用将饮用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式。在这一过程中，蓄水池泵入水量过多导致溢出、泵入水量过少导致饮用水供给不足的问题频发，给村民的生活带来不便的同时，还造成水和电力资源的严重浪费。针对此问题，研发了一套基于物联网技术的智能监控与自动化控制系统。该系统由水位监测与控制节点、LoRa网关节点以及应用服务监控系统三个核心部分构成，能够提升乡村饮水工程的运行管理效率，减少人工操作成本，有效预防因蓄水不足或过多所造成的缺水风险和资源浪费，对提升乡村饮水安全水平和水资源管理效能具有重要的实践意义。

关键词：
ESP32
LORa
泵入控制
液位检测
远程监控
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乡村饮水安全是关乎群众生活的重大民生议题｡当前,贵州省内众多乡村的饮水工程普遍采用将饮用水源中的水泵入高位蓄水池的供水方式｡但蓄水池在使用过程中,其泵入水量的多少需要专人进行管理与控制｡为了避免因水位过低导致饮用水供给不足,或水位过高导致溢出,造成水和电力资源浪费的问题,需要实时监测水池中的水位,实现智能泵入和液位控制[1]｡因此,本文提出并设计了一套以ESP32主控芯片为核心,结合液位检测传感器､继电器和其他外设的智能泵入和液位控制系统｡

1、功能需求

本文设计的系统覆盖了物联网感知控制层､网络传输层到应用服务层的软硬件设计｡在感知控制层,需要实现液位自动检测､水泵根据液位变化自动启停的功能;在网络传输层,需要实现液位检测数据和控制指令的可靠传输;在应用服务层,需要利用配套的手机APP实现双向通信并控制感知层的水泵和自动检测设备｡本文进一步引入远程监控技术,构建了一个供水系统实时监控系统,使得监控人员只需在中控室,便能动态掌握区域水资源的变化及利用情况,了解各个区域水池的液位状态和水泵工作状态｡此外,当供水系统发生故障时,监控人员可以依据显示的数据进行故障分析,最大限度提高供水系统工作效率[2]｡

2、系统设计方案

系统包括水位监测与控制节点､LoRa网关节点､应用服务监控系统三个部分,如图1所示｡

图1液位自动检测与泵入控制系统架构

水位监测与控制节点:主要由电阻传感器､ESP32主控芯片､继电器及水泵组成｡其中,电阻传感器负责实时监测水位变化,并将数据传送给ESP32主控芯片｡该节点利用LoRa无线通信技术将采集到的液位数据以及设备状态信息发送给LoRa网关[3-4]｡同时,ESP32主控芯片根据预设的阈值控制继电器开关,从而自动调节水泵的工作状态,实现液位的实时自动检测和水泵的自动控制｡

LoRa网关节点:由于乡村地区的网络覆盖可能存在局限性,所以选用LoRa低功耗广域网技术进行数据传输[5-6]｡水位监测与控制节点利用LoRa无线通信技术将采集到的液位数据以及设备状态信息发送给LoRa网关,同时接收来自网关的控制指令,确保数据传输的稳定性和可靠性｡

应用服务监控系统:主要包括云服务器端和手机APP客户端两部分｡云服务器端负责接收､存储､处理并通过LoRa网关下发控制指令;手机APP则为用户提供友好的操作界面,用户可以随时随地查看水池实时液位数据､历史数据记录,并根据实际情况远程操控水泵启停,实现对整个系统的双向通信和远程监控｡

2.1水位监测与控制节点

水位监测与控制节点是整个系统的核心部分｡在硬件设计方面,水位监测与控制节点主要由电阻传感器､ESP32主控芯片､继电器､水泵､LoRa无线通信模块､电源等组成,其硬件设计架构如图2所示｡

图2水位监测与控制节点硬件设计

水位监测与控制节点的驱动程序流程如图3所示｡该节点的具体工作流程如下:

(1)液位监测:电阻传感器被部署于高位蓄水池内,它能够持续测量水位的高度,并将这些精确的液位数据转化为电信号｡

(2)数据处理与控制决策:ESP32主控芯片获取到液位信号后,对这些信号进行解析和处理,将其转换成可识别的液位信息｡基于液位信息,ESP32会发出相应的信号驱动继电器闭合,或通过控制水泵的开关来开启或关闭水泵[7]｡根据预先在ESP32中设定的高低水位阈值,当检测到水位低于低位阈值时,ESP32会发出指令,驱动继电器闭合,启动水泵开始注水;当水位上升至接近高位阈值时,ESP32会控制继电器断开,关闭水泵,以确保水池水位始终处于设定范围之内[8-9]｡

(3)无线数据传输:除了实现本地控制,ESP32还能通过集成的LoRa模块,将实时采集的液位数据以及设备(如水泵)的工作状态信息通过低功耗广域网(LPWAN)稳定可靠地发送给LoRa网关｡

2.2LoRa网关节点设计

为提高数据传输的准确性与可靠性,该系统特别选用了具备跳频抗干扰能力､远距离通信能力和强大穿透能力的LoRa模组[10]｡LoRa网关节点作为该系统的重要组成部分,起到连接水位监测与控制节点和中央服务器或云平台的作用｡该节点负责接收来自LoRa终端设备发送的无线信号,并将这些设备所采集的数据打包并通过Internet网络转发至云端服务器[11]｡LoRa网关节点的硬件构成包括LoRa射频模块､ESP32微处理器､电源等,如图4所示｡

图3水位监测与控制节点驱动程序流程

图4LoRa网关硬件设计

LoRa网关节点在本系统中的工作流程如下:

(1)数据接收:LoRa网关具备较强的接收灵敏度和较远的传输距离,能够有效地收集水位监测与控制节点利用LoRa无线通信技术发送的液位数据以及设备状态信息｡即使在地形复杂､网络覆盖条件较差的乡村地区,也能确保数据的稳定传输｡

(2)数据汇聚与转发:LoRa网关将接收到的数据进行汇总处理,然后通过ESP32WiFi模块将这些信息上传至云服务器或数据中心,实现终端设备与云端平台之间的数据交互[12]｡

(3)控制指令下发:当云端平台根据接收到的数据做出新的控制决策时,会通过LoRa网关将控制指令下达到各个水位监测与控制节点,例如调整预设的液位阈值､更新设备工作模式等,控制流程如图5所示｡

2.3应用服务监控系统

云服务器端功能如下:

(1)数据接收与处理:云服务器端需要配置相关软件服务,接收并处理来自LoRa网关节点转发的各水位监测与控制节点的数据,包括但不限于实时液位数据､设备状态信息等｡

(2)指令下发与设备控制:根据用户通过手机APP端发出的操作指令,或系统自动触发的规则引擎,云服务器端需要将控制指令通过LoRa网关发送到对应的水位监测与控制节点,实现对水泵等设备的远程操控｡

(3)告警与通知服务:当检测到液位异常､设备故障等情况时,云服务器端应立即触发告警机制,通过邮件､短信､APP推送等多种方式通知相关管理人员,并记录告警事件以供后续追踪和分析｡

图5LoRa网关节点驱动程序设计流程

手机APP客户端功能如下:

(1)实时监控界面:APP提供友好､直观的用户界面,使用户能够随时随地查看各个水池的实时液位数据以及设备的工作状态｡

(2)历史数据查询:用户能通过APP查阅历史水位记录,查看趋势图或下载数据报表,以便掌握水资源使用规律和设备运行状况｡

(3)远程控制功能:用户可以直接在APP上远程控制水泵等设备的启停,以及设置相关的液位阈值,实现对饮水工程设施的灵活管控｡

(4)个性化设置与通知提醒:APP允许用户自定义液位报警阈值[13]､定时任务等,并在出现异常情况时及时推送消息通知用户｡

监控系统采用APPInventor框架[14]进行开发,其主要功能包括用户登录､接收LoRa网关上报的数据､数据存储以及在手机端界面上显示液位检测节点的状态等功能｡手机APP远程监控系统架构如图6所示｡

图6手机APP远程监控系统架构

3、结语

本文针对乡村饮水安全这一重大民生问题,设计并实现了一套基于物联网技术的实时液位监测与自动控制的智能系统｡该系统由水位监测与控制节点､LoRa网关节点及应用服务监控系统三大部分构成,形成了一条从感知层到应用层的完整链路｡

水位监测与控制节点集成了电阻传感器､ESP32主控芯片､继电器以及水泵,成功实现了水位的实时自动检测和水泵的自动控制｡借助LoRa低功耗广域网技术,该节点能够将采集到的液位数据和设备状态信息准确､稳定地传输至LoRa网关,有效解决了乡村地区网络覆盖受限的难题,确保了数据传输的高可靠性｡

应用服务监控系统充分利用了云服务器和手机APP客户端的优势,使得管理部门能够实时接收､存储和处理液位数据｡同时,用户可通过APP便捷地查看水池实时液位信息和历史记录,并根据实际需求远程操控水泵启停,实现了对系统的双向通信和远程监控｡ESP32主控芯片因其低功耗､高性能的特点,在物联网领域的应用前景日益广阔｡经过实验测试,该系统能够对乡村蓄水池水位环境信息实现准确监测,且便于远程查看信息,对工业应用有一定的价值[15]｡

综上所述,本文设计的基于物联网技术的实时液位监测与泵入控制系统不仅提升了乡村饮水工程的自动化管理水平,有效节约了水资源,也极大地提高了供水效率和饮水安全性｡未来将继续致力于优化系统性能,扩大应用规模,并针对不同地域的特点和需求进行适应性改造,力求在更大范围内推广这一创新成果,助力我国乡村饮水安全建设与乡村振兴战略的深入推进｡

参考文献:

[1]朱强军,李金帅.基于Proteus水位自动控制系统的设计[J].电子制作,2020(2):72-73.

[2]叶林杰,成新民.水池供水无线远程监测系统的研制[J].数字技术与应用,2012(5):15.

[3]李时杰,何怡刚,罗旗舞,等.基于LoRa的电气设备温湿度监测终端设计[J].传感器与微系统,2018,37(4):89-91.

[4]王钧.基于LoRa的设施农业区自动气象站监测系统设计[J].中国农机化报,2018,39(5):82-86.

[5]宋浩.基于LoRa技术的无线通信应用研究[J].信息与电脑(理论版),2019,31(23):150-151.

[6]朱先远,孙握瑜.基于LoRa网络的乡村环境监控可视化平台设计与实现[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2019,21(6):91-95.

[7]姚宁刚,刘世元.浅论通讯设备的生态设计[J].绿色科技,2013(7):307-309.

[8]王帅,刘英超,张晨,等.基于4G网络技术水位远程监测及控制[J].科技风,2018(20):61

基金资助:2022年大学生创新创业训练计划项目:基于ESP32液位自动检测与泵入控制系统研发(S202210666187); 贵州省教育厅;

文章来源:石玉娜,刘祖武,叶俊,等.基于ESP32液位自动检测与泵入控制系统[J].物联网技术,2025,15(05):140-142+147.