PAGEPAGE1基于單片機的水表遠程無線WIFI抄表設計目錄TOC\o"1-3"\h\u20504摘要 1137361緒論 210871.1研究意義 2219561.2國內外研究現狀 2181791.2.1國內研究現狀 2104481.2.2國外研究現狀 2281591.3本課題的主要內容 3320342系統方案設計 462272.1總體方案概述 4324772.2相關元器件型號選擇 4115452.2.1處理器的選擇 477542.2.2顯示器的選擇 4129892.2.3數據傳輸模塊的選擇 5271992.2.4按鍵的選擇 577642.2.5水流量傳感器的選擇 517183系統硬件模塊設計 6169893.1STM32單片機 6268643.2LCD1602顯示器 72083.3水流檢測模塊 835473.4無線通信模塊 9170023.5按鍵模塊 10175643.6報警模塊 1014314軟件設計 11139264.1Keil5簡介 11106004.2主程序設計 11240684.3子程序設計 12321174.3.1LCD顯示子程序 12298934.3.2Esp8266WiFi模塊子程序 1396315實物測試 15183405.1測試步驟 1564105.2功能測試 16161055.2.1WiFi通信設置 16322035.2.2水流測試 17295875.2.3報警測試 18284456系統仿真設計 1918762結論 2127157參考文獻 2230892附錄 2315667附錄1電路圖 23摘要：隨著時代的發展，我國以及進入了物聯網時代，在當前，家家戶戶都在使用物聯網的產品，很多公司對一些傳統的行業進行了二次研究，為了方便用水公司更好的管理水表，智能抄表系統也就因運而生了，本次的設計就是在此基礎上進行研究的，設計出一款基于WiFi的抄表系統，能夠讓用戶和管理員在遠程對水表進行實時監控，控制器選擇了STM32F103C8T6單片機，顯示器選擇了LCD1602，水流檢測使用了YF-S201來進行檢測當前的用水量，為了保證水費的合理性，還設置了階梯水費，并且當水費超標的時候，系統會自動進行報警并停水，還能夠通過WiFi模塊將數據發送到手機app端，幫助管理員更好的監控系統運行狀況。關鍵詞：水表；單片機；WiFi；水流檢測；階梯收費緒論研究意義物聯網時代，萬物互聯，水表是較早進行物聯網應用的產品，是物聯網時代的寵兒。水表的最大使命就是計量，最關鍵的一點就是數據傳輸準確，這直接關系到千家萬戶的切身利益，隨著科技的進步和社會的發展，云計量已經成為一種潮流和趨勢，將給人民帶來更多智慧生活的新體驗，采用更先進的通訊方式已經越來越被人們所重視。然而，仍有大量的智能建筑和智能地面使用傳統的水表技術和水表讀數，這使得新的水表技術和水表讀數成為研發的熱點。本次研究課題正是為了更高效、準確的傳輸數據，所以決定采用無線通訊的方式進行數據傳輸。國內外研究現狀國內研究現狀與國外遠程集中抄表、智能水表的發展相比，中國在這方面的技術起步較晚，但發展非常迅速。近年來，圍繞著改善收費管理和提高抄表技術的自動化和智能化水平，人們提出了很多技術方案。技術方案一是一種傳統的抄表方式，這種方式通過電力載波來進行通信，采用集中器與采集器之間，以前大多數人們抄表時會采用這種方式，但經實踐證實該抄表方式的抄收數據效果不理想，可靠性差，已被很多電力局等單位否定；技術方案二通過RS485總線連接，通過485總線來進行通信，此種方式通信可靠性高，已有許多抄表系統采用這種抄表方式，但是必需布線是它的缺點，許多小區布線難度很大或根本不允許布線，RS485總線方式抄表就難以應用；技術方案三通過利用現有的有線電視網，以有線電視網絡為通信信道，利用CABLEMODEM作為接入終端的抄表方式。該方式不用布線，成本較低，但是有線網絡傳輸數據量較大是它的缺點，在電視收看高峰期對抄表有較大的影響，所以通信可靠性也沒有想象中的那么高。國外研究現狀集中在海外抄表系統的技術發展較快,對集中抄表技術的研究也快,且深,標準的制定從抄表專用芯片生產的成熟,多種抄表技術集中相對廣泛,得到了成功的應用,在發達國家,幾乎實現了遠程集中抄表。大型外國公司和機構，如英特爾、湯普森、安塔姆，正在開發支持電波技術的設備和部件。電波技術的主要組成部分是在國外生產的電波芯片，它確保電表和控制之間的中央遠程組裝。除了傳統的數據收集、處理和儲存單位外，瑞典ABB開發的無線水表還安裝了無線信號接收器接收信號的無線發射機。這些儀表不需要鋪設和維護便于安裝的線路。然而，這些無線電水表需要固定的租金和管理費。本課題的主要內容經過認真的方案設計和推敲，最終可以實現如下功能：1.自動抄表：可以實時、定期和自動查閱水表數據，同時讓住戶了解其使用情況，從而管理計費和收費。2.階梯水價：在本次設計當中，1-50m3價格為1元m3，50-100m3價格為2元m3，100-以上用數量價格為3元m3，以此標準進行計價。（參考北京地區水價）3.收費信息管理：實現當前階梯式水費結算，超出設定用水量，會進行預警。4.遠程閥控：當預警無效后，可進行關閥和開閥。5.數據顯示：水表數據會TCP/IP協議傳輸給手機APP，方便用戶查看。系統方案設計總體方案概述本次設計的基于單片機的WiFi水表抄表系統使用了STM32F103單片機來作為了核心控制器，通過控制水流器來進行檢測當前有多少水流過水流器，然后將檢測到的數據發送到單片機當中進行處理和計算價格并且通過LCD顯示器進行顯示出來，還能夠通過按鍵來進行設置用水閾值，當用水超過閾值的時候，蜂鳴器會進行報警，同時繼電器會啟動來關閉水閥，停止供水，還能夠通過WiFi模塊將相關數據發送到手機app端，幫助用戶進行遠程觀測。總體方案設計如圖2-1所示。圖2-1總體設計方案圖相關元器件型號選擇處理器的選擇型號一：51系列單片機是當前最經典的一款單片機芯片，其不僅能夠兼容8031單片機的所有指令集，并且還使用了FLASH存儲技術，使得其在編程領域當中備受歡迎，8051系列單片機一共具有40個引腳，其中包含了4個8位的并行口和一個附加的8位I/O口，其常用的封裝形式為PDIP形式，但是51系列單片機的缺點就是內部存儲空間較小，只能夠使用在一些簡單的控制系統當中。型號二：32位單片機，當前使用較多的32位單片機為STM32單片機，STM32單片機也分為很多種單片機，性能最低的32位單片機為STM32F103C8T6單片機，其晶振頻率能最高達到72MHZ，因為其處理信息速度較快，因此在物聯網設備當中被廣泛應用，并且內部還自帶三個定時、數模轉換器等功能，是一款非常強大的處理器。在本次設計當中，因為要設計物聯網模塊，所以方案二的STM32F103C8T6單片機能夠滿足本次設計的所有要求。顯示器的選擇型號一：使用LCD顯示器來進行顯示相關的數據，LCD顯示器是當前使用比較多的一種顯示器，特別是在工業控制當中，大部分顯示器使用的都是LCD顯示器，當然，在單片機系統開發當中，LCD1602和LCD12864這兩種顯示器使用比較普遍，LCD1602和LCD12864的區別就是LCD不能夠顯示漢字，LCD12864能夠顯示漢字，LCD顯示器的優點就是成本低、兼容性強、缺點就是要占用單片機大量的I/O口。型號二：使用OLED顯示器來進行顯示相關的數據，OLED顯示器是一種有機發光半導體，不僅在工業領域當中使用廣泛，在我們生活當中使用的也比較廣泛，其不僅能夠顯示字符，還能夠顯示圖像等信息，其優點就是不需要占用單片機外部大量的I/O口，其缺點就是成本較高。考慮到實際情況，本次設計的顯示器選擇了型號一當中的LCD1602顯示器。數據傳輸模塊的選擇型號一：使用型號為HC-05的藍牙串口模塊來充當本次設計的信息傳輸模塊，HC-05藍牙模塊是一款短距離的數據傳輸模塊，在自動化、無線數據采集、智能家居、工業控制、遙控玩具當中被廣泛使用，并且其成本低、編程簡單、容易驅動的優點被大部分電子設計師熱愛，是一款性價比極高的信息傳輸模塊。型號二：ESP8266WiFi模塊，ESP8266模塊是一款遠程收發數據的性能模塊，其能夠進行燒錄相關的固件將其接入到百度云、阿里云當中，來實現遠程的數據監控，并且還能夠進行組建局域網，是一款性能非常強大的物聯網模塊。考慮到設計的實際情況，本次設計的數據收發模塊使用了型號二的ESP8266WiFi模塊。按鍵的選擇型號一：采用獨立式按鍵電路，這種電路由輸入/輸出口線直接組合得來。它的每一個鍵都單獨使用一個I/O口，一對一進行控制，這些鍵位都是獨立的，互相不產生對彼此的影響。這種電路結構簡單，配置方便靈活，在按鍵比較少的情況下使用。按鍵多的時候，所要占用的IO口線隨之增多，利用率相比之下就會降低。型號二：采用矩陣鍵盤電路。采用行列掃描法對按鍵進行掃描識別。這種電路結構比較復雜，編程難度增大，適合使用較多的按鍵，當按鍵數較多時，矩陣鍵盤與獨立按鍵相比使用IO端口的數量大量減少，也就是說，大幅度提高了IO端口的利用率。通過對比，本次設計的按鍵模塊選擇了方案一的獨立按鍵水流量傳感器的選擇型號一：采用流速檢測傳感器，流速檢測傳感器就是對當前的水流速度進行檢測，當傳感器檢測到水流的時候能夠進行計算其水的流速，然后在通過相關的計算來得到當前通過傳感器的水流量，從而實現水流量檢測，其缺點就是當水壓不足的時候，檢測到通過傳感器的水流量就會產生誤差。型號二：采用霍爾檢測檢測傳感器，霍爾檢測傳感器主要是通過內部的磁性轉子轉動來進行檢測當前通過的水流量，磁性轉子轉動的越快，其通過的水流量就越多，霍爾傳感器在運行的時候主要是靠通過輸出的脈沖信號通過反饋器進行反饋回去來進行判斷水流量的。考慮到設計實際情況，本次設計選擇了方案二的霍爾檢測傳感器用來檢測水流量。系統硬件模塊設計STM32單片機對于本次設計，我們選擇的單片機是STM32F103C8T6單片機。這款單片機和51系列的單片機相比豐富了很多的功能，51單片機相對此單片機運行的速度要慢得多，而且此單片機自帶2個AD轉換，STM32單片機同時也有著非常有效的通信功能和控制功能。這一點比51單片機要更加的適合。51單片機與STM32單片機相比，STM32單片機多了4個串口進行通信，所以對一些要求用串口進行通信的模塊而且就不需要通過CD4052等雙串口模塊來轉換，所以這一點被市場上廣泛的運用。32單片機因為本身可以進行多種不同的時鐘模數來進行工作，所以在功耗要求比較嚴格的產品中占有很大的地位。STM32單片機的電路圖如圖3-1所示。圖3-1STM32F103C8T6晶體振蕩器簡稱晶振，在電工學里這個網絡有兩個諧振點，晶振電路主要實現的功能就是給單片機發送時鐘信號，沒有時鐘信號的單片機是不能夠進行正常工作的，按照評率高低之分又將諧振方式分為串聯諧振和并聯諧振，在本次設計當中使用的是并聯諧振，其主要使用了兩個22微法的電容和一個8M的晶振并聯在一起形成諧振電路，給單片機發送頻率比較穩定的時鐘信號。圖3-2為晶振電路圖。圖3-2晶振電路復位電路是將電路返回到其啟動狀態的電路裝置，要復位電路，就使用它將電路返回到開始狀態。以便回到原始狀態，重新進行計算。圖3-3復位電路LCD1602顯示器LCD1602顯示器是比較大眾的一種顯示器，其兼容性較強，并且因為其成本較低，所以在大部分時候都能夠滿足工業設計的顯示要求。從字面的意思上面來理解LCD1602，其就是一塊LCD顯示器，能夠分兩行顯示，每一行能夠顯示16個字符，通過圖3-4觀測到，LCD1602顯示器外部一共十四個引腳，其中D0~D7引腳是和單片機進行連接的，來進行雙向收發數據，另外八個引腳分別是VSS電源地引腳、VDD5V電源正極、VEE背光度調整引腳、RS寄存器選擇引腳、RW讀寫信號線和E使能引腳。LCD1602顯示器唯一的缺點就是不能夠顯示漢字和圖形等信息，因為其在出廠的時候內部沒有進行封裝文字庫，所以LCD1602只能夠顯示一些數字、字母等信息，在本次設計當中，LCD1602顯示器的D0~D7引腳分別和單片機的PA0~PA7引腳進行連接。圖3-4LCD1602水流檢測模塊水流量檢測按照檢測原理的不同，流量檢測方法也不一樣。常見的流量檢測方法有速度法，它是以流量測量管道內流體的平均流速，再乘以管道截面積求得流體的體積流量。基于這種檢測方法的流量檢測儀有差壓式流量計，轉子流量計等。另一種方法是容積法，它是在單位時間以標準固定體積對流動介質連續不斷地進行測量，以排出流體固定容積數來計算流量。基于這種檢測方法的流量檢測儀表有橢圓齒輪流量計、活塞式流量計等。本次設計使用的YF-S201水流量傳感器屬于磁敏類傳感器，它主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。它裝在進水端，用于檢測進水流量，當水通過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，控制器根據一個脈沖流過一個流量產生一個固定值，從而推算出累計流量，進行調控。其主要特點就是有流量控制準確，可循環設定參數還能夠進行流量累積計算，YF-S201水流檢測模塊如圖3-5所示。圖3-5YF-S201無線通信模塊ESP8266系列模組是由中國企業樂鑫科技所研發，如今這一款ESP8266芯片在全世界都獲得很大的成功，這是很值得驕傲的事情。雖然說ESP8266模塊是一個模塊，但本身也是單片機，我們可以直接對ESP8266模塊中的單片機進行操作，即使不使用51單片機或者STM32單片機，ESP8266模塊也可以獨立完成通信功能，此時需要使用軟件arduino來完成。在本次設計中，我們需要將ESP8266模塊與單片機通過串口進行通信。ESP8266芯片里面有一個出廠程序，這個程序我們稱之為固件，即固定到里面的一個程序，這個程序讓單片機可以通過串口來控制這個芯片，單片機使用AT指令與它進行操作，AT指令是一個官方的指令，這個指令使用串口發送一些命令，最終與WIFI模塊進行通訊。在使用過程中，通過單片機的RXD、TXD引腳把信息傳輸給WIFI模塊，WIFI再通過協議把數據傳輸給手機APP，實現傳輸通信。ESP8266WiFi模塊電路圖如圖3-6所示。圖3-6Esp8266按鍵模塊按鍵模塊使用的是獨立按鍵，其一段分別和單片機的PA8、PB8、PB9引腳進行連接在一起，另外一端和GND進行連接，當有按鍵按下的時候，PA8、PB8、PB9引腳會從高電平變為低電平，當單片機判斷到這三個引腳有低電平出現的時候，就代表這個按鍵被按下，就會執行相對應的功能，在本次設計當中，S1按鍵為繳費按鍵，S2按鍵為數據+按鍵，S3按鍵為數據-按鍵，按鍵電路如圖圖3-7按鍵模塊報警模塊報警模塊使用的是已經封裝好的低電平觸發的蜂鳴器，其主要就是在當水流量超過設置的閾值的時候，會進行報警提醒用戶，當前水流量以及超標，要及時進行繳費，報警模塊的out引腳和是單片機的PA0引腳進行連接的，其電路如圖3-8所示。圖3-8報警模塊軟件設計Keil5簡介Keil5是一個非常方便和強大的C語言軟件開發系統，與匯編語言相比，C語言在功能、結構、可讀性、維護方面有明顯的優勢，所以更容易入門。Keil5提供了一個清晰、直觀和易于使用的界面，以及編譯器、編譯器、包安裝和調試跟蹤。如果您使用C編程，那么Keil對您來說就是必要的選擇。即使您不使用C編程而只使用匯編，它方便易用的集成環境、強大的軟件仿真和調試工具也會讓用戶用更少的錢做更多的事情，給用戶帶來全新的感覺和體驗。主程序設計本次設計的WiFi水表抄表系統在編寫程序的時候使用了模塊化編程，將之前已經寫好的LCD1602和ESP8266WiFi模塊子程序給移植過來，通過主函數來進行調用實現相關的功能，本次設計的主函數主要是判斷WiFi是否正常連接，當前用戶是否用水和進行計算當前的用水水費以及將數據發送到手機app端，主程序流程如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖子程序設計LCD顯示子程序本次設計的顯示子程序主要是用來顯示當前用水量、水費、以及用水報警閾值這三個參數，能夠通過顯示器進行實時觀測到整個系統的運行狀態。LCD1602顯示子程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2LCD1602顯示子程序流程圖Esp8266WiFi模塊子程序Esp8266WiFi模塊主要是通過TCP/IP協議將信息發送到手機客戶端，其也是使用了單片機的串口進行收發信息的，在本次設計當中，主要是將當前用水量、水費、以及用水報警閾值這三個參數的數值發送到app端，能夠保證手機APP端實時的刷新數據，并且能夠讓用戶進行遠程監測數據，Esp8266WiFi模塊子程序流程圖如圖4-3所示。圖4-4Esp8266WiFi模塊子程序流程圖實物測試測試步驟在進行測試的時候，先要對整個電路進行檢測，看電路是否有虛焊漏焊的現象，其次再進行檢測電路板的各個排針焊接點，看排針是否焊接成功，接下來再使用萬用表進行檢測其是否導通，在焊接的引腳和單片機的引腳焊接成功的情況下，萬用表會發出滴滴滴聲，證明電路焊接沒有問題，最后再去檢測整個模塊是否有線接錯，檢測完成后，可以對單片機上電進行燒錄程序。圖5-1實物總覽圖功能測試程序燒錄完成后，要對實物進行功能測試，確保設計出來的實物能夠實現各個功能。首先要對WiFi模塊進行測試。WiFi通信設置單片機開機后，將手機打開WiFi熱點，WiFi熱點名稱為lsz1602，，密碼設置為88889999，然后再將系統進行關機重啟，ESP8266WiFi模塊會自動連接到無線網當中，連接成功后，會自動進行發送數據到手機app端，WiFi連接成功如圖5-2所示，LCD界面數據顯示如圖5-3所示。圖5-2WiFi連接成功圖圖5-3LCD顯示數據圖水流測試然后進行測試水流，在本次設計當中，1-50m3價格為1元m3，50-100m3價格為2元m3，100-以上用數量價格為3元m3，分別測試了用水14m3，86m3和199立方用水價格，如圖5-4所示，手機app端數據如圖5-5所示。圖5-4用水階梯圖圖5-5手機app數據圖通過上述的測試，設計的實物在階梯收費上面能夠實現相關的功能。報警測試水流測試完成后，在進行測試報警模塊，通過按鍵將報警閾值設置為65，然后當水流量超過閾值的時候看系統的運行狀態，實物結果如圖5-6所示，手機app如圖5-7所示。圖5-6實物報警圖圖5-7手機app數據圖通過圖5-6和圖5-7能夠觀測到當系系統檢測到用水超過報警閾值的時候，蜂鳴器會進行報警，并且繼電器也會啟動關閉水閥。系統仿真設計本次仿真設計軟件使用的是Proteus8.12版本，Proteus是英國出產的仿真軟件，再結合Keil5輸送仿真程序，可以大概模擬出系統的功能。因為STM32仿真太過于復雜，任務量較大，所以采用STC89C51代替STM32單片機進行仿真。其仿真過程如下，首先找各部分元器件，待元器件找完后進行對應引腳連線，并將程序調試完成，把所編寫的程序編譯鏈接生成hex文件拷入仿真中的單片機進行功能仿真。本次仿真采用脈沖進行輸入，當按下單價按鍵時，LCD顯示當前價格為兩塊錢每平方米。按下計費開始按鍵后，水流量開始以每秒加一的形式進行模擬水流量的輸入，設定好總費用為三十元，當檢測到費用超過三十元后，蜂鳴器會進行報警，此時按下計費結束按鍵，停止計費。系統仿真圖如圖6-1所示。圖6-1系統仿真圖結論本次設計的基于單片機的WiFi水表抄表系統使用了STM32F103C8T6來作為了控制器，并且使用了ESP8266WiFi模塊來進行發送信息，設計出來的系統能夠在LCD1602和手機app進行顯示相關的數據，能夠幫助用戶直觀的觀測到當前的用水量和當前的水費。在本次設計當中，因為要做ESP8266WiFi模塊，根據元器件選型后，挑選了比較合適的STM32單片機來作為數據處理器，STM32也分為高性能和低性能的處理器，選擇了STM32F103C8T6單片機，但是因為自己的編程能力不行，在網上學習編程學習了好久，才算是對32單片機有了一定的了解，再通過翻閱了相關的書籍并且寫了一些簡單的代碼來進行積攢經驗，因為C語言編程有很強的移植性，自己學習了STM32單片機如何驅動LCD1602和按鍵模塊，并進行編寫了相關的程序，然后將這些程序移植到了自己的設計當中，其中最難的就是驅動Esp8266WiFi模塊，因為自己對WiFi模塊了解的較少，通過網上下載了成品代碼，移植到自己的設計當中，經過了多次修改才能夠將代碼進行正常運行，在設計當中還涉及了階梯收費，這個是比較簡單的，在while(1)循環函數當中來進行編寫相關的代碼就能夠實現功能，程序編寫完成后，硬件焊接也是一個難點，因為自己的焊接經驗是非常少的，自己畫了一張AD電路圖，然后生成了PCB圖，通過代工廠生產了一張布線合適的PCB版，自己在PCB板子上面通過杜邦線將各個模塊進行連接起來。最后通過測試，本次設計的系統能夠滿足預期的設計要求，但是還是存在很多的不足之處。也希望自己的設計能夠在以后得到進一步的完善。參考文獻[1]張在新,孔繁軍.基于nRF905的無線水表自動抄表系統設計[J].2022(8).[2]左瑞娟,武永華,王宇,等.基于ZigBee的戶用水表無線遠程抄表系統[J].物聯網技術,2020,10(6):3.[3]李帥.基于NB-IoT智能水表抄表系統設計與實現[J].信息與電腦,2021,33