0 引言

    中國人從古代起就偏愛木制品，當代人生活水平提高了，開始回歸自然，在裝修時大多選用木質地板、家具等^[1-2]。精心選購裝修的地板，平時精心呵護，定期進行保養，但是人總有大意的時候，如忘關水龍頭就匆忙出門，不僅地板被泡，更會造成家中其他家具、電器的損壞，給家庭帶來很大的經濟損失^[3-4]。因此，設計一種適宜家庭使用的防水浸報警器是很有必要的。家用智能防水浸探測器的設計就是智能家居的一次嘗試。

    目前市場上的此類產品很少，多見于一些專利材料，設計原理主要是采用時間計量電動閥門^[4]、液位傳感器、濕度傳感器^[5]等方式進行家庭是否跑水情況的探測，硬件實現成本較高，難以推廣應用。針對以上問題，設計了一種采用高分子吸水材料直接探測地面有無水層，利用高分子吸水材料的遇水膨脹特性^[6-8]，實現家庭跑水情況的實時探測報警裝置，相比市場現有產品，本設計具有實現原理簡單、成本低等優點。

1 系統設計原理

    要實現防水浸探測報警功能，首先必須能夠正確檢測到地面是否有水層，通過對高吸水性樹脂材料特性進行分析可知，它具有很強的親水性，可以在吸水時實現幾倍甚至十幾倍的膨脹，利用其吸水膨脹的特性，結合電阻式壓力傳感器^[9-10]，設計一種能夠把體積變化轉化為壓力信號變化的裝置，就可以實現地面是否有水的可靠檢測。

    考慮到信號的處理及數據的ZigBee無線發布功能，選擇TI公司的CC2430芯片作為控制核心，利用其集成的增強型8051單片機內核和模數轉換ADC實現對壓力信號的實時處理，進而實現報警信號的輸出^{[1-3，11-13]}。同時為了實現遠程無線監控功能，將處理完成后的數據通過ZigBee傳感器網絡發送到ZigBee路由節點，完成多個家用智能防水浸探測器的數據匯集，最終通過GPRS模塊，利用短消息實現家庭情況的實時監測。

    要滿足以上的功能要求，只需水浸信號采集裝置和兩塊CC2430開發板就可以實現，一塊用作探測器的功能開發，一塊用作路由單元的數據匯集。本系統采用HFZ-CC430 ZDK-01型開發板實現系統的快速開發。

2 系統實現

    系統的設計主要有兩部分：一是水浸信號采集裝置的設計；二是系統的數據信號處理及無線傳輸設計。探測器系統整體框圖如圖1所示。

    進一步的增強功能可通過ZigBee無線發送模塊，將單個探測器的信息通過無線通信傳輸到路由單元，然后再由路由單元的GPRS無線數據短信包發送到用戶的個人手機上，實現家用防水浸系統的無線遠程監測功能。路由單元框圖如圖2。

2.1 水浸信號采集裝置的設計

    家庭中是否跑水最直觀的表現是待檢測地面是否有水層，防水浸探測器能夠實現的首要條件是能否正確的探測地面是否有水層，而家庭地面的水層一般很薄，很難通過測量液位的方式實現。要實現可靠的地面水層探測，最直接的方式是進行地面是否有水的檢測，現有的檢測方式，如水敏感型傳感器、濕度傳感器等由于家庭環境的特殊性（拖地、下雨、鞋子帶水等）都可能導致傳感器的誤動作，引起探測器的報警，同時由于成本較高，難以推廣應用。本文通過對高分子吸水材料的研究，提出一種新型的基于高分子吸水材料膨脹特性及壓力傳感器的家庭跑水探測方法。

2.1.1 吸水材料的選擇

    要實現可靠的地面水層探測，吸水材料的選擇必須滿足以下特性：高比率的吸水膨脹性，可長時間保存性，價格低廉。

    通過對多種高分子材料的吸水性對比發現，聚丙烯酸鈉鹽吸水性樹脂是種不錯的選擇，它具有很強親水性，能大量吸收水分且保持水分不外流，同時，這種高分子材料可以長時間保存而不變質。因此，本設計選用價格低廉的新型高分子材料聚丙烯酸鈉鹽作為吸水介質。

2.1.2 采集裝置的設計

    為了可靠地檢測出地面水層，聚丙烯酸鈉鹽必須與地面水層接觸，聚丙烯酸鈉鹽材料一般為小顆粒狀，這就要求必須設計一套能夠封裝聚丙烯酸鈉鹽且保持水接觸性的裝置。

    本文設計的信號采集裝置示意圖如圖3所示，其中，標號3為封裝在密閉空間中的壓力傳感器FSR402；標號1為聚丙烯酸鈉鹽，由水過濾薄膜包裹，具有水通透性及延展性。

    圖中，1為聚丙烯酸鈉鹽，2為壓力傳感器托盤支架，3為壓力傳感器FSR402，4為CC2430主控電路板，5為外圍聲光報警裝置及天線等，6為裝置殼體預留的吸水孔。

    通過以上的采集裝置，地面水層中水分會快速地被高分子吸水材料聚丙烯酸鈉鹽吸收，從而引起聚丙烯酸鈉管的快速膨脹，通過壓力傳感器托盤把壓力傳遞給壓力傳感器FSR402，從而實現壓力信號的獲取。以上三部分都在底部的密封腔體中，通信信號線把壓力信號傳遞到CC2430主控電路板，主控電路板對采集的壓力信號進行分析，從而驅動相關的聲光報警裝置發出相應信號。

2.2 系統的硬件設計

    本設計的硬件系統由主控模塊、信號傳輸模塊、壓力采集模塊、電源模塊、鍵盤模塊和報警模塊等組成。由于本設計直接選用CC2430集成開發板進行驗證，因此，電源模塊、鍵盤模塊、報警模塊等外圍附件模塊不再專門作設計描述。

2.2.1 主控芯片的選取

    由于本設計中的壓力傳感器信號需要進行處理，因此需要有CPU單元及AD電路，同時還需要進行數據的無線傳輸，因此選擇單片機+AD組合電路+無線通信模塊進行設計實現。通過對比發現，CC2430芯片能夠滿足以上功能，它集成有增強型8051內核，大部分單指令的執行時間為1個系統時鐘周期，運算速度為普通8051內核的8倍；具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，包含模擬數字轉換器(ADC)及32 kHz晶振，采用較少的外圍電路即可實現信號的處理及通信收發功能。因此，本系統選擇CC2430作為主控芯片。

2.2.2 壓力信號采集電路設計

    壓力采集主要由主控芯片CC2430和壓力傳感器FSR402組成，壓力傳感器所需的5 V電源由CC2430開發板提供。FSR402型壓力傳感器是一種優化的單一方向的壓力感應器，它的電阻值隨表面受的壓力增大而減小^[14]，這種特性非常符合本設計中地面水層信號的壓力測量。CC2430與FSR402型壓力傳感器連接原理圖如圖4所示。

    其中，CC2430采用集成的AD接口A0，連接到傳感器的電壓信號輸出端，測量范圍0 V~3.3 V；根據FSR402的使用指南，選擇相應的分壓電阻為10 k?贅，且輸出電壓信號端以電壓跟蹤放大器隔離，以保證在最大壓力輸出時其輸出測量電壓不大于3.3 V。

2.2.3 ZigBee無線通信設計

    本設計采用CC2430開發板作為主控板，其自帶5 V～3.3 V的AMS1117-3.3芯片，可以通過DC座供電，同時預留電池供電接口^[15]；板載10 kΩ的可調電阻可以用于壓力傳感器的AD轉換實驗；板載的4個可編程LED可用于報警測試；6個可編程按鍵可用于鍵盤輸入模塊設計。這方便了設計調試，縮短了開發周期。

    設置探測器的ZigBee無線模式為低功耗模式，休眠時電流為0.45 mA，其喚醒方式為外部中斷方式喚醒，節點形式為傳感器節點。接收器側的 ZigBee無線模式為正常工作模式，且節點形式為路由節點。路由節點配置圖如圖5所示。

    圖中，ZigBee路由節點配置為傳感器自組網模式，假定路由網絡中已經存在節點1、2，這時，節點3從休眠狀態喚醒，則節點3首先發送相關的組網指令給路由節點請求組網，路由節點接收請求并返回指令給節點3，節點3實現組網。GPRS無線遠程傳輸設備采用PRS8000-S與路由節點用RS232方式進行通信。

3 系統的軟件設計

    系統軟件采用模塊化設計，在主程序下分成若干彼此獨立的功能模塊，如壓力數據采集、鍵盤輸入模塊、數據通信模塊、報警處理模塊等。

3.1 系統的主程序設計

    系統的主程序設計完成系統初始化、中斷優先級設定以及判斷調用各模塊程序，即主要實現各模塊程序的鏈接。各子程序模塊完成相應的功能實現。程序總體設計框圖如圖6所示。

    首先對系統初始化，完成對各功能部件初始狀態的配置；然后通過鍵盤處理模塊對現場控制信號進行設定，設置壓力的上限值，達上限時報警，同時，鍵盤處理模塊還可以完成特殊情況下強制執行信號的操作，如復位、開/關報警等；接下來通過壓力傳感器數據采集模塊完成壓力傳感器數據的測量，通過報警模塊實現報警功能；最后將處理后的數據通過ZigBee網絡發送給路由節點，實現數據的遠程監控功能。

3.2 功能模塊設計

    程序功能模塊主要包括：鍵盤掃描、壓力監測、數據通信、報警模塊等，其中，鍵盤掃描采用普通中斷掃描方式，壓力監測主要涉及AD采樣程序設計，采用時間中斷方式進行調用，數據通信采用CC2430開發板自帶示例程序進行開發。

    報警模塊作為本次設計的重點，其報警信號的來源不只是壓力傳感器的壓力信號，還有壓力增長率等信號，這主要是為了解決高分子吸水樹脂材料在空氣中長時間暴露所帶來的測量誤報。采用定時時間中斷方式進行調用，其程序判定流程圖如圖7所示。

    從圖中可以看出，當壓力信號達到報警限值500 g時，程序并不會直接進行聲光報警，而是轉到壓力信號增長率判定程序，采用20 s的計時器對壓力增長率進行計算，如果壓力增長率大于5(通過實驗給出的限定值)，則進行聲光報警，否則只進行光報警(LED閃爍報警)，表明此次報警可能是傳感器受潮導致的誤報，請求更換傳感器吸水材料。通過上述的程序處理，可以大大降低傳感器的誤報警。

4 實驗驗證

    文中所設傳感器測量范圍為10 g～1 000 g，壓力≥500 g時報警，為了驗證測量的準確性，做了對比試驗，分別在晴天室內（相對濕度≤40%）、雨天室內（相對濕度≥80%）、室內有薄水層情況下進行了傳感器壓力的實驗測量。實驗結果如表1所示。

    鑒于條件所限，只進行了72 h的壓力數據采集實驗，從表中數據分析可知，在晴天及雨天環境下，經過長時間的實驗，壓力數據有微量的增長，但是增長幅度不明顯，原因是高分子吸水材料長期暴露在空氣中，吸收了空氣中的水蒸汽導致體積有所膨脹，表現為壓力的小幅穩定增長。

    從表中規律可看出，在雨天環境下，72 h（3天）的時間壓力才增長了17 g，如果按比例計算，則壓力要增長到報警級別至少需要88天：

    而由于高分子吸水材料的長期有效性，只需要在報警時將其吸水材料作相應的更換即可。

    在室內薄水層情況下，傳感器能夠在1 min的時間內達到550 g的壓力，從而實現報警功能。經過實際測量，在不到3 min的時間內，傳感器輸出壓力達到975g左右的最大值，能夠快速地檢測出地面的存水情況，充分說明了本設計的有效性。

5 結論

    通過對市場現有防水探測器的調研，文中設計了一種結構簡單、價格低廉、可靠性高的防水浸智能家用探測器，采用高分子吸水材料作為地面水層探測的介質，通過對采集機構的巧妙設計，把對水層的檢測轉換為對壓力信號的檢測，實現了家用防水浸探測器的基本報警功能。同時，作為智能家居的一部分，考慮了數據的無線傳輸及遠程GPRS數據播報，實現了遠程情況下的家庭基本情況短消息監控。本設計具備的低價格、易用性特點，使其具備很高的推廣應用價值。

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