WaterManager
简介
无线水塔水量管理系统，实时采集远端水塔剩余水量，通过无线传输到本地显示和控制水泵
简介：无线水塔水量管理系统，实时采集远端水塔剩余水量，通过无线传输到本地显示和控制水泵开源协议
：LGPL 3.0
描述
演示视频
bilibili：https://www.bilibili.com/video/BV13cW1zXEVh/
开源链接
铝合金外壳：https://gf.jlcfa.com/machine-detail/492509687445581826?source=myDrawing
软件代码：https://gitee.com/mcx1144/water-mgr.git
项目简介
本项目是基于STM32F103单片机的水塔水量管理系统，系统采用分体式设计。TX端负责采集水量信息，通过无线协议发送给RX端。RX端接收到信息后，控制水泵的启停，并实时显示当前水量信息和水泵状态。
系统方案
- 系统框图
MCU使用的是STM32F103RET6，64个引脚，完全够用，当然也有其他便宜的芯片，但习惯了用STM32的芯片，初始化配置直接用STM32CubeMX生成，大大降低了软件的开发难度。
1.TX端设计方案
1.1水量采集方案
水量信息采集，主要是获取当前水塔中水位的高度，来等比例的换算成剩余水量。研究对比了不同的采集方案，主要有以下几种：
前两种价格高昂，适合工业用的范畴。第三种量程最高只有200mm，虽然可以定制，但价格肯定要高，也不太适合。第四种需要在水箱底部开孔，且需要配套的信号解码板。
我的宗旨是在满足需求的前提下，要尽可能便宜，这也是我们搞DIY的追求。然后我想到水位变化时液面的变化不就是一个线性的位置变化么，那我在液面放一个磁铁，用干簧管检测磁铁的位置不就好了。要想获取到不同位置的结果，就需要布置多个干簧管，如果都直接接入到PCB上，那么线会非常多，所以这里参考了ADC按键的思路：
一般水塔直径比较大，浮子会在水面随机漂移，就无法触发干簧管，我的方案是在出水口加一个三通，并立一根PVC或PPR的水管，做成连通器，将浮子放在水管里面，干簧管贴在管外壁。
这个方案虽然不能得到精细的连续的液位变化，但能够获取分段的结果，想要得到更精细的结果，只要增加干簧管的数量即可。
这个方案的成本可谓是非常的低，主要的成本就是干簧管。缺点是在水位介于两个干簧管之间时是不无法直接获取水位的，必需记录之前的状态。比如设备异常重启后就需要等水位来到检测点，在抽水时可能很快，但在用水时，可能需要很久。
然后我又研究了一番，找到了这种液位传感器，输出是开漏形式的，可以代替干簧管的位置。液位之下的始终导通，这样任何时刻都可以立即计算出水位，nice。
这种传感器应该是与电容式触摸按键是一样的原理，只不过是做了小型化，并且感应面是柔性材料，可以适应不同曲率的容器。这个方案成本会高一些，但优点是能随时获取到水量。
1.2电源方案
因为TX端是布置在楼顶水塔边上，环境较为恶劣，且没有交流电的供应，所以这里考虑使用太阳能进行供电。
常规方案是通过太阳能降压充电的芯片来为电充电，再通过一个降压芯片来稳3.3V。但用下来电池很容易鼓包，怀疑是边充电边放电会导致电池过充。
所以这个版本改用了带电源路径管理的降压充电芯片BQ25622，保证电池不会过充过放。
1.3 射频通信方案
早期预研的时候使用的是RF2401系列的模组，但发现通信距离不行，即使加了PA的模组也只能穿一堵墙。而水塔往往在2楼或3楼楼顶，而水泵在一楼地面，需要穿3-4堵墙。主要问题是RF2401使用的是2.4G的频率，并且发射功率只有10mW。理论知识告诉我，无线电的特性就是频率越低，穿透性越好。然后我就往433M的方向去找，让我发现了si4463系列的模组，就是这款号称通信距离可以到2km的，实测的确很强，隔5层楼都可以正常通信。
2.RX端设计方案
2.1电源方案
RX端是接收水量信息，然后控制水泵的启停。我家水泵是早就已经装好的，用的是86型的开关手动控制的，现在做的是取代这个手动开关。因为开关边是没有预留插座的，所以我是设计的直接从电线上取电的，而且控制水泵就是要通过继电器控制220V的电，故这里使用的是一个成品的AC-DC隔离电源模块，直接安装在PCB上
2.2水泵控制方案
水泵使用的是220V交流电，而MCU是3.3V低压直流电，自然是需要使用继电器来控制。但水泵是电机类的设备，启停电流很大，对继电器的触点冲击较大，会影响继电器的使用寿命。我设计的是再增加一个交流接触器，来间接控制。（如果使用更大负载电流的继电器，应该也可以直接控制）
2.3 显示方案
主要是显示水量信息和水泵工作状态，外加电池的充放电状态和温度，信息内容并不多。因为家里主要是父母在，当然要显示大一点的字体，但一块3.5寸的TFT液晶还是比较贵的。退而求其次，我选用的是数码管，一个大尺寸的数码管才一两块。
硬件原理图解析
1.TX端硬件
1.1电源部分
太阳能降压充电选用的是TI的BQ25622芯片，其使用开关降压充电的方案，效率更高，最大开关3.5A，并具有电源路径管理，可以通过IIC调节充电参数，可以保证电池不出现过充过放。手册链接：https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ25622
也可以使用BQ25622E芯片，Pin2Pin的，最大电流3A，砍掉了OTG功能。对我来说没区别
二次降压芯片选用的是TI的TLV62568，同步降压芯片，效率更高
输入保护电路，避免输入电压过高损坏电源芯片。太阳能板的特性是开路电压比最大功率电压要高很多，而一般标参数的时候都是写最大功率电压。BQ25622最大工作电压推荐为18V，绝对最大值为26V，这个芯片还不便宜，小心点为妙。
设计的这个电路会限制输入电压，超过18V时会关闭三极管Q1，保护后面的电路，
1.2水量采集部分
因为需要把水位传感器串起来，故设计了一个传感器小板，将传感器接在右侧H1上，再使用3P的连接线将所有的传感器小板首位串接起来，这样就可以适配不同高度的水塔
因为传感器之间是使用电阻串联结构，按照正常的电阻分压结构，每个节点的电压是一个非线性的关系，对软件设计和噪声容忍度不太好。所以这里使用了恒流二极管，产生0.3mA的电流，这样每个节点的电压就能近似于线性的关系。
D13的电流注入传感器链路，D14下面接一个固定的电阻，用来校准温度漂移，因为半导体对温度都比较敏感。
1.3 射频通信部分
SI4463模组与MCU使用SPI总线通信，按照手册进行连接就行，注意模组的GPIO0/GPIO1需要连到MCU的GPIO上，软件上需要使用的。
1.4其他部分
这个是带灯的按钮，用来在清洗水塔时暂停水泵的控制
预留的拨码开关，可以用来配置某些功能参数或开关
MCU部分就不展开了，按照demo画就行
2.RX端硬件
2.1电源部分
HLK-5M24是成品的AC-DC模块，输出5V1A，供继电器和数码管等工作在5V的器件使用
使用AMS1117降压3.3V，供MCU和射频部分使用。
因为是要装外壳，开关是要装在外壳上的，两个插片用来安装电源开关
2.2显示部分
使用MAX7219芯片来驱动数码管，两位数码管显示水量信息，6颗LED用来指示水泵和电池状态
为了能够在晚上和无人的时候关闭LED，降低功耗，配置了光敏电阻和人体存在传感器。可以根据环境光强度来调节LED亮度。光敏电阻也可以换成光敏三极管
2.3水泵控制系统
因为后面会加交流接触器，注意这里继电器的选择比较宽松，小体积的也够用了
2.4射频通信部分
同TX部分，略
软件代码
软件设计围绕射频模组的状态机来设计的
TX端核心代码：
switch (eState)
{
case FSM_CHIP_INIT:
{
if (Si446xConfig())
{
u32InitFail++;
HAL_Delay(1000);
// Reset BQ25622 WatchDog
u8RegWDRst = 0xA7;//WD_RST
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, u8DevAddr << 1, 0x16, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &u8RegWDRst , 1, 200);
}
else
{
u32InitFail = 0;
loss_pkt = 0;
eState = FSM_UPDATE_COLLECT;
}
break;
}
case FSM_UPDATE_COLLECT:
{
// Reset BQ25622 WatchDog
u8RegWDRst = 0xA7;//WD_RST
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, u8DevAddr << 1, 0x16, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &u8RegWDRst , 1, 200);
// Start BQ25622 ADC
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, u8DevAddr << 1, 0x26, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, u8BQInit + 30, 2, 200);
u32WDRstDiff = HAL_GetTick() - u32WDRstTick;
// Start&Read STM32 ADC
HAL_ADC_Start(&hadc1); //启动ADC1
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);//
if (HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1), HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
{
u16AdcVal = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}
HAL_ADC_Stop(&hadc2);
HAL_ADC_Start(&hadc2); //启动ADC2
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 100);//
if (HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc2), HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
{
u16AdcRef = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
}
HAL_ADC_Stop(&hadc2);
// Read BQ25622 ADC
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, u8DevAddr << 1, 0x28, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, u8AdcData , 10, 2000);
// Read BQ25622 Charger Status
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, u8DevAddr << 1, 0x1d, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, u8RegData, 6, 2000);
if(u8RegData[3]&0x01)
{
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, u8DevAddr<<1, 0x02, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, u8BQInit, 20, 2000);
}
u32WDRstTick = HAL_GetTick();
UpdateWaterLevel();
UpdateBattery();
u8TxSeq++;
u32TimeOutCnt = 0;
eState = FSM_SEND_PACKET;
break;
}
case FSM_SEND_PACKET: //????
{
//tx_conter++;
//HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
//HAL_Delay(50);
if (Si446xSendWaterLevel())
{
eState = FSM_CHIP_INIT;
break;
}
//HAL_Delay(100);
eState = FSM_WAIT_RESPONSE;
SI446x_Start_RX(0, 0, PACKET_LENGTH, 0, 3, 3);
u32SendTick = HAL_GetTick();
break;
}
case FSM_SEND_CONFIRM: //????
{
//if (Si446xSendConfirmAck())
//{
// eState = FSM_CHIP_INIT;
// break;
//}
eState = FSM_SLEEP;
SI446x_Start_RX(0, 0, PACKET_LENGTH, 0, 3, 3);
break;
}
case FSM_WAIT_RESPONSE: //????
{
if ((HAL_GetTick() - u32SendTick) > 500 * (u32TimeOutCnt + 1))
{//??1s
u32TimeOutCnt++;
if (u32TimeOutCnt <= 2)
{
//????
eState = FSM_SEND_PACKET;
}
else
{ //??????
eState = FSM_SLEEP;
loss_pkt++;
u32TimeOutCnt = 0;
if (0 == loss_pkt % 30) {
eState = FSM_CHIP_INIT;
break;
}
}
}
if (!Si446xPacketRecv())
{
u32TimeOutCnt = 0;
loss_pkt = 0;
eState = FSM_SEND_CONFIRM;
break;
}
HAL_Delay(20);
break;
}
case FSM_SLEEP: //???????
{
SI446x_Change_State(STATE_SLEEP); //ready??,1.8mA
if(u8WaterRising)
{
HAL_Delay(1000);
}
else
{
HAL_Delay(5000);
//RTC_AlarmStart();
//CLEAR_BIT(SysTick->CTRL, SysTick_CTRL_ENABLE_Msk); //暂停systick
//__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU); //清理唤醒标志 防止立刻唤醒
//HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFE);
//SET_BIT(SysTick->CTRL, SysTick_CTRL_ENABLE_Msk); //打开systick
}
eState = FSM_UPDATE_COLLECT;
break;
}
default:
eState = FSM_UPDATE_COLLECT;
break;
}
TX端状态机：
TX端软件状态机迁移图。上电后进行芯片的初始化，然后进入状态机循环，每5s更新一次状态信息，然后发送给TX并等待响应。因为模块有概率会异常，所以增加了超时重置芯片的逻辑。
RX端核心代码：
{
case FSM_RECV_PKT:
{
if (!Si446xRecvPacket())
{
eState = FSM_SEND_REPLY;
Si446xRecvPaser();
if (u8WaterLevel == 100)
u8WaterLevel = 99;
//dump_WORD(u8RxSeq);
u32LastRecvTime = HAL_GetTick();
u8LinkFail = 0;
u32PktLoss = 0;
}
if (HAL_GetTick() - u32LastRecvTime > 30000)
{
eState = FSM_CHIP_INIT;
//printf("recv time out\r\n");
u32LastRecvTime = HAL_GetTick();
u32PktLoss++;
if(u32PktLoss >= 2)
{
u8LinkFail = 1;
}
}
break;
}
case FSM_SEND_REPLY: //????
{
SI446x_Change_State(STATE_TX_TUNE);
if (Si446xWaitState(STATE_TX_TUNE))
{
eState = FSM_CHIP_INIT;
break;
}
HAL_Delay(10);
if (Si446xSendReply())
{
eState = FSM_CHIP_INIT;
break;
}
eState = FSM_RECV_PKT;
u32TxPktCnt++;
//LED_Toggle;
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"send done\r\n", 12, 100);
break;
}
case FSM_CHIP_INIT:
{
if (Si446xConfig())
{
u8InitFail++;
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"RF module init failed\r\n", 24, 200);
if (u8InitFail >= 10)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"module may be not connected or damaged\r\n", 40, 200);
HAL_Delay(500);
}
eState = FSM_CHIP_INIT;
}
else
{
u8InitFail = 0;
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"Si4463 init success\r\n", 24, 200);
eState = FSM_RECV_PKT;
u32LastRecvTime = HAL_GetTick();
}
break;
}
default:
{
eState = FSM_RECV_PKT;
break;
}
}
RX端状态机：
RX端软件状态机迁移图。RX端idle下保持接收状态，等待接收数据包，收到状态信息后回复响应包，用来给TX端确认空中链路正常。如果长时间接收不到TX的信号，会重新初始化模组并再次等待接收。
BQ25622可以在默认参数下运行，不需要访问IIC。但我这个做了一些参数的调整，包括最大充电电流，电池充电截止电压等，目的是延长电池寿命（理论上有作用，实际效果有待检验）。可以根据实际需要进行调整，修改下表的数值就行
需要注意的是，通过IIC配置了参数，就需要定期通过IIC复位看门狗，不然内部的看门狗会溢出复位寄存器，并在复位后将设置的充电电流值减半，最终会导致充电电流值有几个mA
其他代码细节请自行上gitee查看，WaterMgr
注意事项
- 恒流二极管的基准值可能需要校准
- 光敏电阻或光敏三极管在不同亮度下的阈值需要自行校准
- 设备安装涉及220V交流电，请在专业人士的指导下进行。免责申明：请自行评估风险，本人不对任何后果负责
组装流程
1.TX端安装
先安装侧面板
分别为DC-022B太阳能输入接口、F3充电指示灯、16mm按钮、12mm 3芯航空插头、IPEX转SMA天线接口
螺丝要缩紧，不然安装另外一端插头的时候会跟着转圈
然后安装连接线
按钮4根线，对角的2根为一组。一组是按钮的线，另一组是灯的线，先测一下两组分别是什么，正常按钮和灯都是不分正负极的，跟PCB的插座线序对应就行.
充电指示灯，正极接PCB上V+的焊盘，负极接ST的焊盘。
电源插头，先测一下正负极，然后焊接好就行。
另一侧主要是航空插头，3芯分别是电源/地/信号。但PCB的插座是4P的，中间两条线靠近地的那条不用接，剪掉或者拆掉都行。连接线与航空插头的对应关系没有什么特定顺序，只要与航空插头的另一头能对应就行。
焊接好连接线后，对应的连接好PCB端，插上电池和温度探头，上电测试，检查功能是否完好。
电池后面会换一块大的，粘在上盖板上，温度传感器也要贴在电池表面
2.RX端安装
先在外壳上合适的位置分别按照控制按钮、电源开关、SMA天线接头的开孔尺寸开孔
然后固定PCB，因为这个外壳是买的，固定孔不太合适，需要在底下垫起来或者另外开孔进行固定。
然后安装保险丝，并将开关、按钮、天线等装到外壳上，并通过线缆连接到PCB上
右下角的是要接220V交流电的，这里就不展示了，按照标注接线就行。调试的时候先不接交流电，可以使用左边的TYPE-C进行供电
实物图
RX端组装好之后的样子
TX端组装好之后的样子
系统演示
更新说明
- 2025/10/23 上传程序源码
设计图
未生成预览图，请在编辑器重新保存一次BOM
暂无BOM
克隆工程
知识产权声明&复刻说明
本项目为开源硬件项目，其相关的知识产权归创作者所有。创作者在本平台上传该硬件项目仅供平台用户用于学习交流及研究，不包括任何商业性使用，请勿用于商业售卖或其他盈利性的用途；如您认为本项目涉嫌侵犯了您的相关权益，请点击上方“侵权投诉”按钮，我们将按照嘉立创《侵权投诉与申诉规则》进行处理。
请在进行项目复刻时自行验证电路的可行性，并自行辨别该项目是否对您适用。您对复刻项目的任何后果负责，无论何种情况，本平台将不对您在复刻项目时，遇到的任何因开源项目电路设计问题所导致的直接、间接等损害负责。
