摘要：我国是一个淡水资源分布不均的国家，人均水资源量2173立方米，仅为世界人均的1/4。为了唤醒公众的水意识，培养人们的节水观念与综合素养，建立一种更为全面、高效、持续的水资源利用机制，本文设计了一套基于物联网的无水化公厕系统。该系统经过相关大数据分析、计算，为最近的果蔬种植基地提供最优质的绿色、纯天然农家肥，实现自动灌溉，保证尿液所灌溉植物的无污染生长环境，带来可观的经济效益。
关键词：空气冲刷；自动灌溉
1、前言
我国人均水资源量为2173立方米，仅为世界人均的1/4。在缺水的同时，由于经济发展和人口的增加，我国的用水量不断增加，污水排放量也相应增加。人们已渐渐认识到：我们身处的环境正不断恶化，空气和水资源受到严重污染，人类赖以生存的河流、湿地等生态系统已遭受严重破坏，许多地方的生态系统退化问题触目惊心，正面临着“无水皆干、有水皆污、湿地退化、河道断流、地下水超采、入海水量减少”等严峻的水资源问题[1]。
在淡水资源匮乏的同时，水资源的滥用也是一个极大的问题。在日常生活中，厕所用水占了极大的比例，每日人均厕所用水量大约有24升。而据媒体报道，全国冲水马桶每年冲走90亿立方米的水量，相当于九个西湖、两个太湖的水量。
2、系统设计
如系统结构图1所示，硬件方面我们采用STC15F2K61S2单片机作为主控芯片。STC15F2K61S2是增强型51单片机，处理速度提高了10倍左右，功耗低，具有多个可编程IO口，可以满足本项目设计需求。本系统由空气冲刷式无水小便器、储存装置、物联网系统、灌溉系统组成。电源为220V交流电，经过变压器、稳压电路输出5V与12V直流电压，使用220V交流电给空气压缩机供电，5V电压给主控电路供电，主控电路通过控制继电器可以控制12V电源与小便器底部电磁阀的连接，进而控制底部滑盖的开和闭。
尿液经过小便器可以进入储存装置，储存装置内安装有传感器及射频装置，能够定时将尿液储存装置的状态通过已经构建的物联网上传到进行数据存储与相关大数据处理的云端，云端同时还保存了与公厕网点相对接的果蔬、植物种植基地对尿液的需求信息，通过相关大数据分析，计算出各储存装置能够到达的最近的果蔬、植物种植基地，实现自动化精准施肥、精准灌溉。
本系统采用了STC15F2K61S2单片机作为主控芯片。首先通过IO口给超声波传感器发送一个10us的高电平，当遇到使用者时，传感器会接受到一个等于传播时间的高电平信号，单片机可以通过公式计算出用户与小便器的距离。我们在程序中设定的距离阈值是65cm，同时只有保持65cm以内1秒以上才会开始工作，可以有效的避免来往人群对系统的干扰。
单片机通过控制继电器来控制底部电磁阀开和关，正常工作时电磁阀开启，使用结束后电磁阀关闭。同时受到继电器控制的还有空气压缩机，单片机通过IO口输出高低电平控制继电器通断，继电器连接220V交流电源与空气压缩机进而决定空气压缩机是否工作。在储存装置中我们安装了CC2530 ZigBee模块，数据中心的命令通过ZigBee模块自身的无线传输功能进行传输，当单片机接收到数据包之后进行解包，根据数据内容对储存装置进行实时操作[2]。
图1 系统结构图
3、数据分析
系统以每人次的使用作为实验数据，经过理论分析与实际测算，得出下列表格的数据。通过数据分析我们可以发现普通的水流冲刷小便器对水资源浪费较大，人均运营成本也不低；而液封式无水化小便器虽然省电、节水，但是无论是设备造价还是运营成本都居高不下，因此没有普及开来；反观本系统中的空气冲刷小便器，其不仅具有节约水资源的特点，还拥有运营成本与造价低廉的优势，同时洁净度也比没有经过冲刷的无水小便器要高。
4、总结
如今，中国的人均水资源占有量在持续下降，一方面是因为环境的污染、生态遭受破坏带来的苦果，另一方面就是人们缺乏节水环保的意识，我们希望设计出一个实用性的节水的装置，通过这个系统的普及可以给民众带来节水环保的意识，从源头上杜绝水资源的浪费，这样才是真正的可持续发展道路。
参考文献：
[1]论创建节水型城市的战略意义[J].徐樵利.华中师范大学学报（自然科学版）.2003（04）
[2]蒲泓全，贾军营，张小娇，孙建伟.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用，2013，22（09）：6-11.
[3]黄太波，赵华伟，潘金秋，聂培尧，杨泽军.ZigBee协议栈的安全体系综述[J].山东科学，2012，25（02）：59-66.
论文作者:刘江海,彭博文,蒋鸿翔
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/13
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