0 引言

中国人从古代起就偏爱木制品，当代人生活水平提高了，开始回归自然，在装修时大多选用木质地板、家具等^[1-2]。精心选购装修的地板，平时精心呵护，定期进行保养，但是人总有大意的时候，如忘关水龙头就匆忙出门，不仅地板被泡，更会造成家中其他家具、电器的损坏，给家庭带来很大的经济损失^[3-4]。因此，设计一种适宜家庭使用的防水浸报警器是很有必要的。家用智能防水浸探测器的设计就是智能家居的一次尝试。

目前市场上的此类产品很少，多见于一些专利材料，设计原理主要是采用时间计量电动阀门^[4]、液位传感器、湿度传感器^[5]等方式进行家庭是否跑水情况的探测，硬件实现成本较高，难以推广应用。针对以上问题，设计了一种采用高分子吸水材料直接探测地面有无水层，利用高分子吸水材料的遇水膨胀特性^[6-8]，实现家庭跑水情况的实时探测报警装置，相比市场现有产品，本设计具有实现原理简单、成本低等优点。

1 系统设计原理

要实现防水浸探测报警功能，首先必须能够正确检测到地面是否有水层，通过对高吸水性树脂材料特性进行分析可知，它具有很强的亲水性，可以在吸水时实现几倍甚至十几倍的膨胀，利用其吸水膨胀的特性，结合电阻式压力传感器^[9-10]，设计一种能够把体积变化转化为压力信号变化的装置，就可以实现地面是否有水的可靠检测。

考虑到信号的处理及数据的ZigBee无线发布功能，选择TI公司的CC2430芯片作为控制核心，利用其集成的增强型8051单片机内核和模数转换ADC实现对压力信号的实时处理，进而实现报警信号的输出^{[1-3，11-13]}。同时为了实现远程无线监控功能，将处理完成后的数据通过ZigBee传感器网络发送到ZigBee路由节点，完成多个家用智能防水浸探测器的数据汇集，最终通过GPRS模块，利用短消息实现家庭情况的实时监测。

要满足以上的功能要求，只需水浸信号采集装置和两块CC2430开发板就可以实现，一块用作探测器的功能开发，一块用作路由单元的数据汇集。本系统采用HFZ-CC430 ZDK-01型开发板实现系统的快速开发。

2 系统实现

系统的设计主要有两部分：一是水浸信号采集装置的设计；二是系统的数据信号处理及无线传输设计。探测器系统整体框图如图1所示。

进一步的增强功能可通过ZigBee无线发送模块，将单个探测器的信息通过无线通信传输到路由单元，然后再由路由单元的GPRS无线数据短信包发送到用户的个人手机上，实现家用防水浸系统的无线远程监测功能。路由单元框图如图2。

2.1 水浸信号采集装置的设计

家庭中是否跑水最直观的表现是待检测地面是否有水层，防水浸探测器能够实现的首要条件是能否正确的探测地面是否有水层，而家庭地面的水层一般很薄，很难通过测量液位的方式实现。要实现可靠的地面水层探测，最直接的方式是进行地面是否有水的检测，现有的检测方式，如水敏感型传感器、湿度传感器等由于家庭环境的特殊性（拖地、下雨、鞋子带水等）都可能导致传感器的误动作，引起探测器的报警，同时由于成本较高，难以推广应用。本文通过对高分子吸水材料的研究，提出一种新型的基于高分子吸水材料膨胀特性及压力传感器的家庭跑水探测方法。

2.1.1 吸水材料的选择

要实现可靠的地面水层探测，吸水材料的选择必须满足以下特性：高比率的吸水膨胀性，可长时间保存性，价格低廉。

通过对多种高分子材料的吸水性对比发现，聚丙烯酸钠盐吸水性树脂是种不错的选择，它具有很强亲水性，能大量吸收水分且保持水分不外流，同时，这种高分子材料可以长时间保存而不变质。因此，本设计选用价格低廉的新型高分子材料聚丙烯酸钠盐作为吸水介质。

2.1.2 采集装置的设计

为了可靠地检测出地面水层，聚丙烯酸钠盐必须与地面水层接触，聚丙烯酸钠盐材料一般为小颗粒状，这就要求必须设计一套能够封装聚丙烯酸钠盐且保持水接触性的装置。

本文设计的信号采集装置示意图如图3所示，其中，标号3为封装在密闭空间中的压力传感器FSR402；标号1为聚丙烯酸钠盐，由水过滤薄膜包裹，具有水通透性及延展性。

图中，1为聚丙烯酸钠盐，2为压力传感器托盘支架，3为压力传感器FSR402，4为CC2430主控电路板，5为外围声光报警装置及天线等，6为装置壳体预留的吸水孔。

通过以上的采集装置，地面水层中水分会快速地被高分子吸水材料聚丙烯酸钠盐吸收，从而引起聚丙烯酸钠管的快速膨胀，通过压力传感器托盘把压力传递给压力传感器FSR402，从而实现压力信号的获取。以上三部分都在底部的密封腔体中，通信信号线把压力信号传递到CC2430主控电路板，主控电路板对采集的压力信号进行分析，从而驱动相关的声光报警装置发出相应信号。

2.2 系统的硬件设计

本设计的硬件系统由主控模块、信号传输模块、压力采集模块、电源模块、键盘模块和报警模块等组成。由于本设计直接选用CC2430集成开发板进行验证，因此，电源模块、键盘模块、报警模块等外围附件模块不再专门作设计描述。

2.2.1 主控芯片的选取

由于本设计中的压力传感器信号需要进行处理，因此需要有CPU单元及AD电路，同时还需要进行数据的无线传输，因此选择单片机+AD组合电路+无线通信模块进行设计实现。通过对比发现，CC2430芯片能够满足以上功能，它集成有增强型8051内核，大部分单指令的执行时间为1个系统时钟周期，运算速度为普通8051内核的8倍；具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，包含模拟数字转换器(ADC)及32 kHz晶振，采用较少的外围电路即可实现信号的处理及通信收发功能。因此，本系统选择CC2430作为主控芯片。

2.2.2 压力信号采集电路设计

压力采集主要由主控芯片CC2430和压力传感器FSR402组成，压力传感器所需的5 V电源由CC2430开发板提供。FSR402型压力传感器是一种优化的单一方向的压力感应器，它的电阻值随表面受的压力增大而减小^[14]，这种特性非常符合本设计中地面水层信号的压力测量。CC2430与FSR402型压力传感器连接原理图如图4所示。

其中，CC2430采用集成的AD接口A0，连接到传感器的电压信号输出端，测量范围0 V~3.3 V；根据FSR402的使用指南，选择相应的分压电阻为10 k?赘，且输出电压信号端以电压跟踪放大器隔离，以保证在最大压力输出时其输出测量电压不大于3.3 V。

2.2.3 ZigBee无线通信设计

本设计采用CC2430开发板作为主控板，其自带5 V～3.3 V的AMS1117-3.3芯片，可以通过DC座供电，同时预留电池供电接口^[15]；板载10 kΩ的可调电阻可以用于压力传感器的AD转换实验；板载的4个可编程LED可用于报警测试；6个可编程按键可用于键盘输入模块设计。这方便了设计调试，缩短了开发周期。

设置探测器的ZigBee无线模式为低功耗模式，休眠时电流为0.45 mA，其唤醒方式为外部中断方式唤醒，节点形式为传感器节点。接收器侧的 ZigBee无线模式为正常工作模式，且节点形式为路由节点。路由节点配置图如图5所示。

图中，ZigBee路由节点配置为传感器自组网模式，假定路由网络中已经存在节点1、2，这时，节点3从休眠状态唤醒，则节点3首先发送相关的组网指令给路由节点请求组网，路由节点接收请求并返回指令给节点3，节点3实现组网。GPRS无线远程传输设备采用PRS8000-S与路由节点用RS232方式进行通信。

3 系统的软件设计

系统软件采用模块化设计，在主程序下分成若干彼此独立的功能模块，如压力数据采集、键盘输入模块、数据通信模块、报警处理模块等。

3.1 系统的主程序设计

系统的主程序设计完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序，即主要实现各模块程序的链接。各子程序模块完成相应的功能实现。程序总体设计框图如图6所示。

首先对系统初始化，完成对各功能部件初始状态的配置；然后通过键盘处理模块对现场控制信号进行设定，设置压力的上限值，达上限时报警，同时，键盘处理模块还可以完成特殊情况下强制执行信号的操作，如复位、开/关报警等；接下来通过压力传感器数据采集模块完成压力传感器数据的测量，通过报警模块实现报警功能；最后将处理后的数据通过ZigBee网络发送给路由节点，实现数据的远程监控功能。

3.2 功能模块设计

程序功能模块主要包括：键盘扫描、压力监测、数据通信、报警模块等，其中，键盘扫描采用普通中断扫描方式，压力监测主要涉及AD采样程序设计，采用时间中断方式进行调用，数据通信采用CC2430开发板自带示例程序进行开发。

报警模块作为本次设计的重点，其报警信号的来源不只是压力传感器的压力信号，还有压力增长率等信号，这主要是为了解决高分子吸水树脂材料在空气中长时间暴露所带来的测量误报。采用定时时间中断方式进行调用，其程序判定流程图如图7所示。

从图中可以看出，当压力信号达到报警限值500 g时，程序并不会直接进行声光报警，而是转到压力信号增长率判定程序，采用20 s的计时器对压力增长率进行计算，如果压力增长率大于5(通过实验给出的限定值)，则进行声光报警，否则只进行光报警(LED闪烁报警)，表明此次报警可能是传感器受潮导致的误报，请求更换传感器吸水材料。通过上述的程序处理，可以大大降低传感器的误报警。

4 实验验证

文中所设传感器测量范围为10 g～1 000 g，压力≥500 g时报警，为了验证测量的准确性，做了对比试验，分别在晴天室内（相对湿度≤40%）、雨天室内（相对湿度≥80%）、室内有薄水层情况下进行了传感器压力的实验测量。实验结果如表1所示。

鉴于条件所限，只进行了72 h的压力数据采集实验，从表中数据分析可知，在晴天及雨天环境下，经过长时间的实验，压力数据有微量的增长，但是增长幅度不明显，原因是高分子吸水材料长期暴露在空气中，吸收了空气中的水蒸汽导致体积有所膨胀，表现为压力的小幅稳定增长。

从表中规律可看出，在雨天环境下，72 h（3天）的时间压力才增长了17 g，如果按比例计算，则压力要增长到报警级别至少需要88天：

而由于高分子吸水材料的长期有效性，只需要在报警时将其吸水材料作相应的更换即可。

在室内薄水层情况下，传感器能够在1 min的时间内达到550 g的压力，从而实现报警功能。经过实际测量，在不到3 min的时间内，传感器输出压力达到975g左右的最大值，能够快速地检测出地面的存水情况，充分说明了本设计的有效性。

5 结论

通过对市场现有防水探测器的调研，文中设计了一种结构简单、价格低廉、可靠性高的防水浸智能家用探测器，采用高分子吸水材料作为地面水层探测的介质，通过对采集机构的巧妙设计，把对水层的检测转换为对压力信号的检测，实现了家用防水浸探测器的基本报警功能。同时，作为智能家居的一部分，考虑了数据的无线传输及远程GPRS数据播报，实现了远程情况下的家庭基本情况短消息监控。本设计具备的低价格、易用性特点，使其具备很高的推广应用价值。

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