李德佶，吳萬(wàn)敏

（四川大學(xué)，四川 成都 610207）

1 概述

小微企業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生力軍，在擴(kuò)大就業(yè)、促進(jìn)創(chuàng)新、繁榮市場(chǎng)和滿足人民群眾需求方面發(fā)揮著極其重要的作用。但是，與大型企業(yè)的成熟完善相比，一些基于地方特色發(fā)展起來(lái)的小微企業(yè)，受資金、人才、場(chǎng)地的限制，很多現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝、技術(shù)手段不能得到廣泛應(yīng)用。以自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備為例，很多企業(yè)選擇使用人工監(jiān)測(cè)，既增加人力成本，又降低監(jiān)測(cè)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，限制了企業(yè)生產(chǎn)效率的提升，這與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、提升質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力相去甚遠(yuǎn)。本文所提出的方案即針對(duì)這類現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，服務(wù)企業(yè)提升科技水平，推進(jìn)智能化、信息化建設(shè)，提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)方案介紹

2.1 硬件部分

這套設(shè)備主體使用STM32F103VET6作為系統(tǒng)核心部分，SIM800C作為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信部分。通過(guò)添加靈活的外設(shè)，實(shí)現(xiàn)不同外部環(huán)境數(shù)據(jù)的采樣，在單片機(jī)里進(jìn)行處理后將設(shè)備工作情況數(shù)據(jù)通過(guò)SIM800C傳送到服務(wù)器上，再通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)APP對(duì)設(shè)備工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控。如果出現(xiàn)運(yùn)行故障，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行緊急狀況的預(yù)先處理，通過(guò)SIM800C模塊將設(shè)備故障情況以短信的方式向管理人員報(bào)警，并且在網(wǎng)頁(yè)或者APP上進(jìn)行故障提醒，通知管理人員盡快進(jìn)行故障處理。故障排除后，管理人員初始化設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備便可重新正常運(yùn)行。

2.2 軟件部分

軟件部分涉及到設(shè)備監(jiān)控APP的開(kāi)發(fā)、網(wǎng)頁(yè)的搭建和服務(wù)器的設(shè)置。同時(shí)，在硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也會(huì)涉及到一些指令的開(kāi)發(fā)，比如對(duì)SIM800C進(jìn)行操作使用的AT指令開(kāi)發(fā)，使用單片機(jī)時(shí)的庫(kù)開(kāi)發(fā)等。

3 硬件的選擇

3.1 處理器部分

我們選擇使用STM32F103VET6作為系統(tǒng)核心處理模塊，內(nèi)核為Cortex-M3。STM32F103VET6在STM32系列的單片機(jī)中相對(duì)較為基礎(chǔ)，資料也比較豐富。ARM的Cortex-M系列是一類低成本的微控制器，針對(duì)功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用，也被廣泛應(yīng)用于智能測(cè)量、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)以及電器和消費(fèi)型產(chǎn)品中。選擇使用STM32也考慮到了其在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，而且相關(guān)資料也較為全面，能夠提高工作人員的編程效率和工作效率。

3.2 通信部分

通信模塊采用的是SIM800C，也有人使用SIM900A或NBIOT等其他模塊進(jìn)行類似開(kāi)發(fā)。SIM800C工作頻率為GSM/GPRS，可以實(shí)現(xiàn)低功耗語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和信息的傳輸，尺寸小巧，價(jià)格相對(duì)比較低。通過(guò)AT命令控制操作，建立TCP連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器，通過(guò)MCU實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM800C的控制，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度比較弱，開(kāi)機(jī)初始化連接時(shí)間比較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)往往有延遲，但其成本低，相對(duì)可靠，開(kāi)發(fā)難度小。

3.3 外設(shè)模塊

外設(shè)系統(tǒng)相對(duì)靈活，例如使用交流電流傳感器進(jìn)行設(shè)備的電源監(jiān)控，使用pH計(jì)、溫度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等對(duì)不同環(huán)境參數(shù)進(jìn)行靈活的采樣，為監(jiān)控設(shè)備添加更多的功能。

4 設(shè)備工作流程

設(shè)備工作流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備工作流程圖

5 設(shè)計(jì)方案

5.1 外設(shè)設(shè)計(jì)（以3種相對(duì)簡(jiǎn)單的外設(shè)為例）

5．1．1 電源監(jiān)控方案

電源監(jiān)控利用互感現(xiàn)象設(shè)計(jì)，采用穿心式精密電流互感器TA12-100，如圖2所示，在外部增加適當(dāng)電阻和穩(wěn)壓芯片、整流濾波電路，即可獲得想要得到的對(duì)設(shè)備供電電壓的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，也可以購(gòu)買和使用價(jià)格相對(duì)低廉的成品，利用互感制作交流電流傳感器，輸出模擬電壓，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲取監(jiān)控設(shè)備的供電電壓情況。

5．1．2 水質(zhì) pH 測(cè)定

在污水處理過(guò)程中，調(diào)節(jié)pH值十分重要。在不同液體條件下，所需要的pH調(diào)節(jié)情況也不相同。比如黏膠廢水酸化池需要進(jìn)行多種沉淀操作，pH要求各不相同，而pH自動(dòng)監(jiān)控可以幫助監(jiān)控人員更方便地監(jiān)測(cè)水質(zhì)。我們采用pH值傳感器，輸出為模擬電壓，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換并使用數(shù)學(xué)方法修整pH曲線，得到在誤差范圍內(nèi)允許的pH測(cè)量曲線。

5．1．3 濁度測(cè)量

濁度是污水處理的重要測(cè)量指標(biāo)之一，不同的污水、不同的處理方式、不同的菌種在沉淀池里的濁度指標(biāo)各不相同。沒(méi)有大規(guī)模自動(dòng)化設(shè)備的企業(yè)在處理污水時(shí)，往往依靠操作者目測(cè)。在實(shí)際工作過(guò)程中，因?yàn)閷?duì)沉淀過(guò)程的要求高，所以，需要操作者不間斷地觀察。這時(shí)，采用濁度自動(dòng)化測(cè)量，既可以減輕操作者的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，又可以大幅度提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。鑒于上述情況，我們采用龍戈電子推出的濁度測(cè)量模塊，利用光學(xué)原理，采集透光率和散射率的綜合情況來(lái)確定濁度。輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，需要AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行具體的測(cè)量。為了提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，沉淀池中需要設(shè)置多個(gè)濁度檢測(cè)裝置。

5.2 MCU整體設(shè)計(jì)

由于外設(shè)與主機(jī)距離相對(duì)比較遠(yuǎn)，不宜采用有線傳輸方式，所以，將較為簡(jiǎn)單的NRF24L01作為通信方案，外設(shè)數(shù)據(jù)處理使用51單片機(jī)。例如，在酸堿度測(cè)量中，使用51單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，通過(guò)無(wú)線通信模組將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控STM32上，主控芯片進(jìn)行多組外設(shè)回傳數(shù)據(jù)的整合操作，通過(guò)SIM800C將數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸，數(shù)據(jù)在外接顯示器上實(shí)時(shí)展示。

5.3 SIM800C通信部分

SIM800C模塊可以通過(guò)AT指令進(jìn)行GSM/GPRS無(wú)線通訊，也可以通過(guò)建立TCP連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。通過(guò)"AT+CIPSTART="TCP","****.******",****"等操作，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接和遠(yuǎn)程操作。在本套系統(tǒng)中，SIM800C作為數(shù)據(jù)上傳端和警報(bào)發(fā)送端，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后向用戶SIM卡發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)SIM800C在初始化過(guò)程中已經(jīng)鏈接到預(yù)設(shè)的服務(wù)器，用戶可以根據(jù)個(gè)人需求修改源程序可修改的部分。

5.4 顯示部分設(shè)計(jì)

顯示部分是采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示平臺(tái)，為操作人員提供方便、準(zhǔn)確的信息展示。UC/OS是一種基于ROM運(yùn)行的多任務(wù)內(nèi)核，能夠方便地進(jìn)行移植工作，它在本套系統(tǒng)中的位置是顯示終端的顯示操作，類似于一個(gè)小型的平板電腦。在實(shí)際工作中，將UC/OS-III移植到STM32上，并且進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)，使用可觸摸的LCD顯示屏作為顯示載體，將采集并處理好的數(shù)據(jù)在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的圖形界面上顯示出來(lái)，能夠方便操作人員讀取數(shù)據(jù)。

5.5 網(wǎng)站和APP設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)網(wǎng)站和APP是為了讓用戶在任何可以聯(lián)網(wǎng)的地方都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。網(wǎng)站和APP的設(shè)計(jì)涉及到服務(wù)器搭建、域名申請(qǐng)等問(wèn)題，此處不展開(kāi)說(shuō)明細(xì)節(jié)問(wèn)題，重在思路建立。設(shè)計(jì)網(wǎng)站和APP時(shí)，先進(jìn)行服務(wù)器的搭建工作，之后進(jìn)行域名的申請(qǐng)和網(wǎng)站的建立，將設(shè)備定向連接到用戶地址，讓用戶可以訪問(wèn)到設(shè)備，此后再進(jìn)行網(wǎng)站界面搭建工作。網(wǎng)站搭建好后開(kāi)發(fā)APP，實(shí)現(xiàn)AJAX與服務(wù)器的交互，用戶既可以在手機(jī)APP上登錄查看設(shè)備信息，也可以通過(guò)網(wǎng)站訪問(wèn)設(shè)備。

6 應(yīng)用測(cè)試

在開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目前，我們已經(jīng)通過(guò)SIM900A進(jìn)行了家庭物聯(lián)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，成功通過(guò)SIM900A實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與服務(wù)器的定向連接和回傳。在家庭物聯(lián)設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們添加了紅外感應(yīng)模塊作為門鎖安全系統(tǒng)，添加火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)廚房進(jìn)行安全監(jiān)控，添加溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。搭建簡(jiǎn)單的網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取。為了驗(yàn)證可行性，我們進(jìn)行了簡(jiǎn)單的APP開(kāi)發(fā)，雖然測(cè)試結(jié)果不是很穩(wěn)定，但可以實(shí)現(xiàn)基本的察看功能。在其他項(xiàng)目中，我們進(jìn)行了藍(lán)牙使用和無(wú)線的開(kāi)發(fā)，也取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。在今后的開(kāi)發(fā)工作中，我們將把重點(diǎn)放在細(xì)節(jié)優(yōu)化和問(wèn)題處理上，比如，在前期測(cè)試中遇到了顯示問(wèn)題、初始化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、SIM900A信號(hào)強(qiáng)度不夠、設(shè)備數(shù)據(jù)處理不穩(wěn)定、誤差較大等問(wèn)題。我們將使用SIM800C進(jìn)行后期測(cè)試，在程序方面進(jìn)行優(yōu)化篩減，優(yōu)化現(xiàn)有處理數(shù)據(jù)的算法，采用51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的初級(jí)采集和勘誤，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵牟糠?，在核心部分進(jìn)行二次檢驗(yàn)后實(shí)時(shí)向服務(wù)器傳輸，服務(wù)器端檢驗(yàn)后，如果出現(xiàn)大的躍變情況要進(jìn)行核實(shí)處理，以提高數(shù)據(jù)的可信度。

圖2 電流互感器TA12-100

7 擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案

以污水處理監(jiān)控方案為例，提出了一套設(shè)備監(jiān)控方案，但此設(shè)備不僅限于污水處理監(jiān)控，還可廣泛應(yīng)用于其他監(jiān)控環(huán)節(jié)。例如，將本套系統(tǒng)用于冷庫(kù)、糧倉(cāng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度、濕度等信息的采集，避免環(huán)境改變導(dǎo)致產(chǎn)品變質(zhì)。另外，還可以將這套設(shè)備應(yīng)用于禽畜養(yǎng)殖基地，實(shí)現(xiàn)對(duì)圈舍內(nèi)溫度的監(jiān)控和智能控制，通過(guò)增加圖像采集模組實(shí)現(xiàn)對(duì)圈舍內(nèi)情況的監(jiān)控，具體外設(shè)可根據(jù)不同需要更改設(shè)計(jì)。

8 結(jié)束語(yǔ)

以污水處理監(jiān)控設(shè)備為例，提出了一套低成本、高靈活性的監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案，并論證了開(kāi)發(fā)的可行性。這套系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)效率高、外設(shè)靈活、成本低的特點(diǎn)，可以被廣泛應(yīng)用。對(duì)于蓬勃發(fā)展的小微企業(yè)，為它們提供了高效、靈活、低成本的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備解決方案，既可以有效降低人工成本，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控與人工操作相結(jié)合，提高勞動(dòng)效率，還能刺激企業(yè)進(jìn)一步加大科技投入力度，提高企業(yè)科技含量，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。