电子产品世界

1. 问题背景：凌晨 5 点溢出的水

很多家庭都经历过类似的场景：
某天凌晨 5 点，楼顶水塔开始往外溢水，水龙头边还能听见水泵嗡嗡作响——因为前一晚忘记关电机。

这一小小的疏忽，带来了一连串问题：

• 自来水被白白浪费；

• 电机长时间空转，电能被浪费；

• 更严重的是：水泵可能因过载过热而烧毁；

• 这一情况在 家庭、宿舍、公寓楼、乡村水塔 中每天都在重复发生。

与此同时，我们正在谈论机器人、无人机、AI、云计算，但对自家水箱 “满了没”“快空了没” 这样简单的问题，却往往依赖人工去楼顶查看——这显得有些“反差”。

因此，本文从一个真实的小痛点出发，设计并实现了一个 基于 ESP32 的 IoT 智能水位监测系统，目标是：

• 实时监测水塔水位，并在手机上可视化；

• 当水满或水位过低时推送告警；

• 可选：自动关闭水泵，避免溢水和过载；

• 使用常见器件（ESP32 + HC-SR04 + Blynk），成本低、易 DIY。

2. 系统整体方案

整个系统的核心思路是：
用超声波传感器测量“水面距离传感器的高度”，再换算成水位高度与百分比，通过 Wi-Fi 上传到 Blynk 云端，在手机 App 上实时显示和告警。

2.1 使用的主要硬件

1. ESP32 开发板

• 集成 Wi-Fi，支持 Blynk IoT 平台；

• 负责传感器采集、数据处理和联网通信。

2. HC-SR04 超声波测距传感器

• 安装在水箱顶部，向下发射超声波；

• 测量“传感器到水面”的距离，实现非接触式水位检测。

3. 继电器模块（可选）

• 由 ESP32 控制；

• 通过继电器控制水泵电源，实现自动“断电/开机”。

4. 智能手机 + Blynk App

• 作为 IoT 云平台和人机界面；

• 用于显示实时水位、推送告警通知、远程控制水泵。

2.2 方案特点

• 硬件简单、成本低、易于在家庭和乡村环境部署；

• 无需接触水体，传感器安装和维护难度低；

• 通过云平台和手机 App，全程无线化。

3. 工作原理与测量逻辑

系统的关键公式非常直观：

水位高度 = 水箱总高度 − 传感器测得的距离

假设：

• 水箱深度（高度）为 TANK_DEPTH（单位 cm）；

• 超声波测得传感器到水面的距离为 distance；

则有：

waterLevel = TANK_DEPTH - distance
waterPercent = (waterLevel / TANK_DEPTH) * 100%

为了保证数据合理，软件会对结果做边界限制：

• 若计算结果 < 0，则归零；

• 若计算结果 > 100%，则按 100% 处理。

4. 硬件安装：传感器与水箱布局

1. 超声波传感器安装位置

• 探头正对水面中央，避免壁面干扰；

• 与水面之间没有管道、浮球等遮挡物；

• 传感器高度尽可能接近水箱顶面，以便把水箱总高度设为常数。

• 将 HC-SR04 固定在水箱顶部内侧，探头朝下；

• 尽量保证：

2. 电气连接

• 继电器线圈电压与触点额定电压；

• 水泵电源属于高压部分，必须安全接线。

• HC-SR04 的 TRIG、ECHO 分别连接到 ESP32 的 GPIO：

  #define TRIG_PIN  5
  #define ECHO_PIN  18

• ESP32 通过 USB 或稳压电源供电；

• 若使用继电器控制水泵，需要额外注意：

5. 软件设计与 Blynk 云平台

5.1 核心功能

• 周期性触发超声波测距（每 1 秒一次）；

• 计算距离 → 换算水位高度 → 换算水位百分比；

• 将数据发送到 Blynk 虚拟引脚（例如 V0、V1）；

• 在串口输出调试信息；

• 设置“水满”“水位偏低”的阈值，触发手机通知与电机控制。

5.2 Blynk 端数据映射

在示例代码中：

• V0：显示水位百分比（0–100%）；

• V1：显示水位高度（单位：cm）。

在手机端 Blynk App 上可以：

• 放置 Gauge（仪表盘）组件 显示百分比水位；

• 用 Label/Value Display 显示精确高度。

• 配置 事件通知 / Automation，实现：

• 水位 ≥ 95%：推送“水箱已满，电机已关闭”；

• 水位 ≤ 10%：推送“水位过低，请开启电机”。

6. 完整代码解析（ESP32 + HC-SR04 + Blynk）

下面是你给出的完整代码，已经可以实现 水位测量 + Blynk 实时上报。在文章中可以直接作为“参考实现”。

/************* Smart Water Level Monitoring System *************
   Hardware: ESP32, HC-SR04 Ultrasonic Sensor, Blynk App
   Features:
   ✔ Measure water level in tank
   ✔ Send percentage to Blynk App
   ✔ Show water level on Serial Monitor
   ✔ Automatically detect tank full or empty
   ✔ Motor control can be added easily
****************************************************************/

#define BLYNK_TEMPLATE_ID "Your_Template_ID"
#define BLYNK_TEMPLATE_NAME "Water Level Monitor"
#define BLYNK_AUTH_TOKEN "Your_Blynk_Auth_Token"

#include <WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>
#include <BlynkSimpleEsp32.h>

// Wi-Fi Credentials
char ssid[] = "Your_WiFi_Name";
char pass[] = "Your_WiFi_Password";

// Ultrasonic Sensor Pins
#define TRIG_PIN  5
#define ECHO_PIN  18

// Tank Dimensions (in cm)
const int TANK_DEPTH = 100; // Tank height in centimeters

long duration;
float distance, waterLevel, waterPercent;

BlynkTimer timer;

/***************** Function to Measure Water Level *****************/
void measureWaterLevel() {
  // Send ultrasonic pulse
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // Read echo time
  duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);

  // Calculate Distance (cm)
  distance = duration * 0.034 / 2;

  // Calculate water level
  waterLevel = TANK_DEPTH - distance;

  // Calculate percentage
  waterPercent = (waterLevel / TANK_DEPTH) * 100.0;

  if (waterPercent < 0) waterPercent = 0;
  if (waterPercent > 100) waterPercent = 100;

  // Send data to Blynk
  Blynk.virtualWrite(V0, waterPercent);  // Water Level in %
  Blynk.virtualWrite(V1, waterLevel);    // Water Level in cm

  // Print on Serial Monitor
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.print(" cm | Water Level: ");
  Serial.print(waterLevel);
  Serial.print(" cm | Tank Filled: ");
  Serial.print(waterPercent);
  Serial.println(" %");
}

/***************** Setup Function *****************/
void setup() {
  Serial.begin(115200);

  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  // Connect to Blynk
  Blynk.begin(BLYNK_AUTH_TOKEN, ssid, pass);

  // Timer runs every 1 second
  timer.setInterval(1000L, measureWaterLevel);
}

/***************** Main Loop *****************/
void loop() {
  Blynk.run();
  timer.run();
}

可以按以下思路向读者解释关键部分（如果你准备写成系列文章，可以在后续篇章展开）：

• 超声波测距：
  pulseIn(ECHO_PIN, HIGH) 返回高电平持续时间（单位：微秒）；
  声速约为 340 m/s，即 0.034 cm/μs；
  距离 = 时间 × 声速 / 2（往返距离除以 2）。

• 定时任务：
  使用 BlynkTimer 每秒调用一次 measureWaterLevel()；
  避免在 loop() 中使用 delay()，保证 Blynk 连接稳定。

• 云端通信：
  Blynk.virtualWrite(V0, waterPercent) 将数据推送至虚拟引脚 V0；
  Blynk App 中将仪表盘绑定到 V0 即可实时显示。

如需扩展自动控制水泵，只需：

• 增加一个 RELAY_PIN，设置为输出；

• 在 measureWaterLevel() 中加入逻辑：

• 若 waterPercent >= 95 → digitalWrite(RELAY_PIN, LOW) 关闭水泵；

• 若 waterPercent <= 10 → 根据需求提示或自动开启水泵。

7. 实际使用体验

部署完成后，典型的使用体验包括：

• 无论在家还是出门，只要手机联网，就能随时查看水塔水位；

• 在水位接近 100% 前，手机自动收到“水满”的提醒，有条件可以自动关泵；

• 在水位过低前收到“水不足”提醒，避免临时无水可用；

• 再也不需要凌晨爬楼检查水塔，也避免了长期溢水和水泵过载。

从用户反馈来看，“减少了水和电的浪费，也减少了心理上的‘担心’”，是一类非常贴近日常生活的小而实用的 IoT 应用。

8. 应用价值与扩展方向

从工程和应用角度，这一项目具有以下意义：

• 节水与节能：
  通过自动检测和告警，减少大量日常水浪费和水泵空转耗电。

• 设备保护：
  通过自动断泵可降低水泵因长期过载而损坏的风险。

• 可扩展性强：
  可以进一步扩展成：

• 多水箱、多点水位监测；

• 接入 LoRa/4G，实现远程乡村供水系统监控；

• 与家庭用水统计、漏水监测等场景结合。

9. 结语

技术并不只属于大型工业系统或复杂的 AI 算法，它同样可以落地到家庭水箱、乡村水塔这样的“小地方”。

基于 ESP32 + 超声波传感器 + Blynk 的 智能水位监测系统，就是一个典型示例：
通过简单的硬件、开源的开发环境和成熟的 IoT 平台，就能解决长期存在的日常小问题，实现更节水、更省心的用水方式。

如果你愿意，我们下一步可以在这篇文章基础上，继续完善：

• 加上系统框图、接线示意图；

• 增补带阈值控制的继电器控制代码版本；

• 写一份“安装与标定步骤”，方便读者直接照做。

关键词： DIY