构建一个无线地下室排水井液位监测系统

在之前的项目中，我曾配置了一台 Raspberry Pi 5 来运行 Apache，用于向 Home Assistant 服务器提供 Pi CPU 的温度数据，并由 Home Assistant 抓取并显示在仪表板上。本项目在软件方面会简单一些，因为我将使用 Seeed Studio 提供的 ESP32-C3 芯片作为 Web 服务器，实时报告地下室排水井中超声波传感器测得的水位距离。随后，Home Assistant 将抓取该页面数据，并在仪表盘上展示。

工作原理

我们的排水井通过收集房屋地基外围排水沟中的积水，再通过 PVC 管道将水排至屋外。如果水泵发生故障，在持续或极端降雨情况下，地下室可能被淹。目前我们使用位于排水井顶部的水位报警器，一旦水位达到设定值，就会触发警报喇叭和手机通知。为了增加一层安全防护并打造更智能的家居环境，我将添加监控排水沟水位的功能，并将相关信息报告到Home Assistant仪表板上。

HC-SR04非常适合此应用，它通过超声波脉冲测量物体距离。该模块在接收到触发信号后，会先进行一些内置的信号处理，再返回回波信号。回波脉冲的持续时间与物体到传感器的距离成正比。下图显示了来自ESP32-C3引脚D4的触发信号。ESP32-C3引脚D5上的回波脉冲长度则编码了物体的距离，脉冲越长，表示物体离传感器越远。

下图展示了模块在进行任何信号处理前的原始信号。模块通过计算脉冲发射与回波之间的时间差来确定距离，然后将该距离转换为与物体距离成比例的脉冲长度，如上图所示。

下图显示的是一个8个脉冲、频率为40kHz的信号正在向外传输。

部署

在此应用中，我将部署HC-SR04超声波测距模块，并通过Seeed Studio连接到ESP32-C3。传感器会从外壳上的开口向下看，并通过其扬声器发出40kHz的方波。随后，传感器会监听回声是否从坑中的水面顶部反射回来。距离可以通过计算脉冲发射与回声之间的时间差来确定，该时间差基于空气中的声速。

设置的侧面示意图显示了传感器输出的40kHz脉冲，该脉冲在水中反射后返回至传感器的麦克风。

接线说明

HC-SR04应按以下引脚配置进行连接：

•Vcc = 5V

•Trig = D4

•Echo = D5

•GND = GND

连接至Arduino IDE

如果使用Linux系统，可下载Arduino IDE的应用镜像文件。

右键点击应用镜像文件，使其成为可执行文件。

进入“工具”→“板子”→“板子管理器”……

从下方所示的板子管理器窗口中安装esp32板子。

将上传速度设置为115200。

使用提供的Arduino代码。

数据输出

将代码上传至板子并查看串口监视器：

我决定在串口终端中禁用诊断距离信息，因为每次通过网页浏览器连接时，数据都会写入网页。

接下来，请使用网页浏览器访问ESP32-C3报告的IP地址。每当有客户端连接时，数据就会更新。由于Home Assistant每分钟抓取页面一次，因此网页将每分钟更新一次距离传感器的平均值。

Home Assistant

为了将网页上的数据传输到 Home Assistant 的仪表板中，我将从网页中提取所有信息，但只保留原始数值。

重启 Home Assistant，并在实体列表中选择该卡片，将其添加到您偏好的仪表板上。

自定义 PCB

使用 Altium Designer，我们可以创建一个自定义电路板，采用 ESP32-C3 作为通孔或表面贴装器件(SMD)。

J1 可以是 100mil 跳线间距的直角表面贴装或通孔连接器。

•UltraBdv1 有多种不同的安装方式。

•ESP32-C3 可通过通孔引脚进行安装，也可使用带锁紧边缘的连接器进行表面贴装。

•HC-SR04 可直接安装到 UltraBdv1 上。

•HC-SR04 也可以通过直角通孔或 100mil 表面贴装母头进行安装。

使用中间层卡后，我们的测量结果会更加准确，因为系统不再存在微控制器与传感器之间悬挂的飞线，从而降低了噪声干扰的影响。

本文编译自hackster.io