液位传感器集成

概述

本节介绍如何使用 HC-SR04 超声波传感器测量容器液位，并将数据整合到自动投料系统中。学习完成后，您将能够：

理解超声波测距原理和 HC-SR04 的使用方法
实现超声波传感器的驱动代码
将液位数据通过 MQTT 发送到 Node-RED
扩展多路液位监测

HC-SR04 工作原理

                    ┌────────────────────────────────────┐
                    │         HC-SR04 超声波传感器        │
                    ├────────────────────────────────────┤
                    │                                    │
                    │   ┌──────────┐                     │
                    │   │  发射器   │  ←── 发出 40KHz 声波│
                    │   └──────────┘                     │
                    │            ╲ ╱                     │
                    │             ╳  声波遇到水面反射      │
                    │            ╱ ╲                     │
                    │   ┌──────────┐                     │
                    │   │  接收器   │  ←── 接收回波       │
                    │   └──────────┘                     │
                    │                                    │
                    │  VCC ─── 5V                        │
                    │  GND ─── GND                       │
                    │  Trig ─── GPIO 2 (ESP32 发脉冲)    │
                    │  Echo ─── GPIO 3 (ESP32 接收)      │
                    └────────────────────────────────────┘

    工作原理:
    1. ESP32 向 Trig 引脚发送 10μs 高电平脉冲
    2. HC-SR04 发射 8 个 40KHz 超声波脉冲
    3. 声波遇到水面反射
    4. HC-SR04 接收回波，Echo 引脚输出高电平
    5. Echo 高电平持续时间 = 声波往返时间
    6. 距离 = 时间 × 声速 ÷ 2

    声速: 340 m/s (20°C)
    最大量程: 4m
    最小盲区: 2cm
    精度: ±3mm

Ultrasonic Driver Code

Ultrasonic.h

// Ultrasonic.h — 超声波传感器驱动
#ifndef ULTRASONIC_H
#define ULTRASONIC_H

// 测量距离 (单位: cm)
// triggerPin: Trig 引脚
// echoPin: Echo 引脚
// 返回值: 距离值 (cm)，超时返回 -1
long measureDistance(int triggerPin, int echoPin) {
    // 确保 Trig 为低电平
    digitalWrite(triggerPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);

    // 发送 10μs 高电平脉冲
    digitalWrite(triggerPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(triggerPin, LOW);

    // 读取 Echo 高电平持续时间 (微秒)
    long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);  // 30ms 超时 (~5m)

    if (duration == 0) {
        Serial.println("Ultrasonic: No echo received (timeout)");
        return -1;  // 超时
    }

    // 计算距离 (cm)
    // 声速 340m/s = 0.034 cm/μs
    // 往返时间 → 距离 = duration × 0.034 / 2
    // 简化为: distance = duration / 58
    long distance = duration / 58;

    return distance;
}

// 多次测量取平均 (减少噪声)
long measureDistanceAverage(int triggerPin, int echoPin, int samples = 5) {
    long total = 0;
    int validSamples = 0;

    for (int i = 0; i < samples; i++) {
        long d = measureDistance(triggerPin, echoPin);
        if (d > 0) {  // 只累加有效值
            total += d;
            validSamples++;
        }
        delay(10);  // 测量间隔
    }

    if (validSamples == 0) return -1;
    return total / validSamples;
}

#endif

液位 = 容器高度 - 测量距离

// 液位计算
// 容器总高度 (从传感器到容器底部)
const int CONTAINER_HEIGHT = 24;  // cm

// 将测量距离转换为液位百分比
int distanceToLevelPercent(long distance, int containerHeight) {
    if (distance < 0) return -1;      // 测量失败
    if (distance >= containerHeight) return 0;  // 空
    if (distance <= 2) return 100;    // 满 (传感器盲区)

    int level = ((containerHeight - distance) * 100) / containerHeight;
    return constrain(level, 0, 100);
}

ESP32 Integration Code

在状态机中集成液位读取

// 引脚定义
#define TRIG_PIN  2
#define ECHO_PIN  3
#define RELAY_PUMP_PIN 20
#define CONTAINER_HEIGHT 24  // cm

const int TRIG_PIN = 2;
const int ECHO_PIN = 3;
long distance1 = 0;      // 1 号容器液位
long distance2 = 0;      // 2 号容器液位 (可选)

void handleGetData() {
    // 测量 1 号容器液位 (取平均)
    distance1 = measureDistanceAverage(TRIG_PIN, ECHO_PIN);

    if (distance1 < 0) {
        // 测量失败
        client.publish("esp32/dosing/status",
                       "{\"error\":\"sensor_failure\"}");
        currentState = STATE_TIME_FOR_SLEEP;
        return;
    }

    // 计算液位百分比
    int levelPercent = distanceToLevelPercent(distance1, CONTAINER_HEIGHT);

    Serial.printf("Distance: %ld cm, Level: %d%%\n",
                  distance1, levelPercent);

    // 构建 JSON 发送到 Node-RED
    String payload = "{\"distance\":" + String(distance1) +
                     ",\"level\":" + String(levelPercent) +
                     ",\"container_height\":" + String(CONTAINER_HEIGHT) +
                     ",\"state\":\"get_data\"}";

    client.publish("esp32/dosing/info", payload.c_str());

    // 等待 Node-RED 返回指令
    currentState = STATE_WAIT;
    lastCommandTime = millis();
}

Multiple Level Sensors

// 扩展多路液位监测

// 引脚定义 (多路)
#define TRIG1_PIN  2    // 容器 1 Trig
#define ECHO1_PIN  3    // 容器 1 Echo
#define TRIG2_PIN  4    // 容器 2 Trig
#define ECHO2_PIN  5    // 容器 2 Echo

// 容器参数
const int CONTAINER1_HEIGHT = 24;
const int CONTAINER2_HEIGHT = 30;

void handleGetData() {
    // 同时读取多个传感器
    distance1 = measureDistanceAverage(TRIG1_PIN, ECHO1_PIN, 3);
    distance2 = measureDistanceAverage(TRIG2_PIN, ECHO2_PIN, 3);

    // 构建多容器 JSON
    String payload = "{\"distance1\":" + String(distance1) +
                     ",\"distance2\":" + String(distance2) +
                     ",\"level1\":" + String(distanceToLevelPercent(distance1, CONTAINER1_HEIGHT)) +
                     ",\"level2\":" + String(distanceToLevelPercent(distance2, CONTAINER2_HEIGHT)) +
                     ",\"state\":\"get_data\"}";

    client.publish("esp32/dosing/info", payload.c_str());
    currentState = STATE_WAIT;
}

Node-RED Data Parsing

// Node-RED Function: 解析 ESP32 液位数据
// 从 esp32/dosing/info Topic 接收

var data = msg.payload;

// data 格式: {"distance":16,"level":33,"container_height":24}

var distance = data.distance;
var levelPercent = data.level;

// 计算剩余量 (升)
// 假设容器截面为 20cm × 20cm
var containerVolume = 20 * 20 * data.container_height / 1000;  // 升
var remainingVolume = containerVolume * levelPercent / 100;

msg.payload = {
    distance: distance,
    level: levelPercent,
    remaining: remainingVolume.toFixed(1),
    unit: "liters",
    timestamp: Date.now()
};

return msg;

验证

# 1. 测试传感器
mosquitto_pub -t "esp32/dosing/command" -m "get_data"

# 2. 检查 MQTT 数据
mosquitto_sub -t "esp32/dosing/info" -v
# 输出: esp32/dosing/info {"distance":16,"level":33,...}

# 3. 用手遮挡传感器测试
# 距离变小 → level 增加
# 移开手 → level 减小

# 4. 传感器故障测试
# 拔掉 Echo 线 → 应看到 {"error":"sensor_failure"}

Common Customer Questions

Q1: 超声波传感器在泡沫或粉尘环境中可靠吗？

不推荐。泡沫会吸收超声波，粉尘会散射声波。推荐使用：

泡沫环境: 电容式液位传感器
粉尘环境: 雷达液位计
防腐蚀要求: 非接触式超声波（但需定期清洁传感器表面）

Q2: 容器形状不规则怎么计算液位？

对于不规则容器，可以在 Node-RED 中使用查表法：

// Node-RED Function: 不规则容器液位换算
// 预定义的容器形状 → 液位映射表
var lookupTable = [
    {distance: 0, volume: 100},
    {distance: 5, volume: 85},
    {distance: 10, volume: 65},
    {distance: 15, volume: 40},
    {distance: 20, volume: 15},
    {distance: 24, volume: 0}
];

// 通过插值计算实际剩余量
function interpolate(distance, table) {
    for (var i = 1; i < table.length; i++) {
        if (distance <= table[i].distance) {
            var ratio = (distance - table[i-1].distance) /
                        (table[i].distance - table[i-1].distance);
            return table[i-1].volume -
                   ratio * (table[i-1].volume - table[i].volume);
        }
    }
    return 0;
}

Q3: 如何减少液位波动引起的误判？

软件: 多次采样取平均 (measureDistanceAverage)
软件: 移动平均滤波 (Node-RED 端)
硬件: 传感器安装固定支架，减少晃动
硬件: 在容器内加装导波管

最佳实践

✅ 推荐做法:

传感器距离液面至少 2cm（避免盲区）
多次采样取平均值（建议 5 次）
传感器表面保持清洁
液位数据附加上次投料时间一并存储
实现传感器故障检测和报警

❌ 避免做法:

传感器表面有冷凝水或结露时忽略校准
单次测量就作为最终液位值
容器内壁有附着物影响回波
忽略温度对声速的影响

Summary

HC-SR04: Trig + 10μs 脉冲 → Echo 测脉宽 → 距离 = 脉宽/58
液位计算: 容器高度 - 测量距离 = 液位高度
多次采样: 5 次取平均减少噪声
故障检测: 超时返回 -1，触发告警
多路扩展: 最多支持 8+ 超声波传感器