李浩正 陳良展 張騰

摘? ?要：我國(guó)是水利大國(guó)，眾多城市都有不同規(guī)模大小的泵站，但絕大部分城市的泵站運(yùn)行效率低下，大多數(shù)地區(qū)的泵站維護(hù)依然停留在過(guò)去的專(zhuān)人管理時(shí)代，遇到緊急突發(fā)狀況時(shí)應(yīng)對(duì)能力差。文章結(jié)合我國(guó)各地泵站的管理現(xiàn)狀、工業(yè)自動(dòng)化管理以及遠(yuǎn)程監(jiān)控水泵的要求，設(shè)計(jì)了一種基于STM32嵌入式微控制器的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站監(jiān)控系統(tǒng)，可以讓泵站的管理者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制監(jiān)測(cè)水泵的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：泵站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);聯(lián)網(wǎng)控制;信息無(wú)線(xiàn)傳輸

在我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)，受地理位置的約束，泵站的控制室與工作間相隔較遠(yuǎn)，有線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高，后期維護(hù)較為困難。大部分泵站的運(yùn)行管理依然通過(guò)手工控制進(jìn)行，沒(méi)有全面的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，無(wú)法判斷設(shè)備的運(yùn)行工況，進(jìn)而影響泵站性能，無(wú)法獲得完整運(yùn)行數(shù)據(jù)，難以量化管理。且由于工人質(zhì)量參差不齊，對(duì)泵站形成了安全隱患。通過(guò)建立基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)采集，實(shí)時(shí)通信控制，較好地解決了上述問(wèn)題。

1? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括4個(gè)功能：無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、無(wú)線(xiàn)通信、數(shù)據(jù)處理。具體如下。

（1）無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)系統(tǒng)帶有的信號(hào)采集模塊來(lái)采集有關(guān)水泵的運(yùn)行參數(shù)信息，比如電機(jī)的電壓、電流、功率、工作時(shí)間、工作溫度;水泵的進(jìn)出水口壓力、流量大小等。（2）遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)提供3種控制方式，一是在泵站現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)每個(gè)水泵可控制開(kāi)關(guān)，便于單獨(dú)維修檢查或者意外情況;二是每個(gè)泵站提供一個(gè)總控制器，便于現(xiàn)場(chǎng)管理員按照日常工作需求總控制;三是通過(guò)NB-IoT模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)控制啟停。（3）無(wú)線(xiàn)通信。一個(gè)區(qū)域內(nèi)的不同泵站通過(guò)Lora星型組網(wǎng)互相通信，所有數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)區(qū)域內(nèi)的總控制器上，總控制器通過(guò)NB-IoT模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行分析，并承擔(dān)遠(yuǎn)程指令向下的交流功能。（4）數(shù)據(jù)處理。云端服務(wù)器接收到泵站的工作數(shù)據(jù)會(huì)保存下來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行分析以獲取信息、生成數(shù)據(jù)報(bào)表等，同時(shí)監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)以上功能，在硬件方面，設(shè)計(jì)兩個(gè)硬件平臺(tái)，一為單獨(dú)水泵控制器，具體包括：最小核心系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、壓力變送器、溫度傳感器、霍爾傳感器、繼電器控制系統(tǒng)、低功耗控制系統(tǒng)、TFT顯示、Lora星型組網(wǎng)通信。二為區(qū)域總控制器，具體包括：最小核心系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、LCD觸控系統(tǒng)、Lora星型組網(wǎng)通信以及NB-IoT聯(lián)網(wǎng)通信。

2.1? 水泵控制器

水泵控制主控采用STM32L051C8T6，該芯片為ST公司專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)低功耗領(lǐng)域生產(chǎn)的嵌入式芯片，具有極低的功耗，其含有一個(gè)LPUART、一個(gè)10通道的12位ADC以及一個(gè)SPI模塊，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。信息采集模塊包括壓力變送器、溫度傳感器、霍爾傳感器，壓力變送器采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的4-20MA信號(hào)壓力變送器;溫度傳感器采用PT100高精度熱電偶，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍大，溫度測(cè)量精度高，測(cè)量方法簡(jiǎn)便，通過(guò)微控制器自帶的ADC即可測(cè)出;霍爾傳感器選擇開(kāi)口型，由于水泵電機(jī)的工作電流較大，必須選擇大量程的霍爾傳感器，且其在安裝時(shí)無(wú)需破壞原有電路線(xiàn)纜。繼電器控制系統(tǒng)采用歐姆龍公司G2R-1E-12V型號(hào)繼電器，耐壓值高，能夠滿(mǎn)足三相電機(jī)的高電壓要求。其驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，微控制器的IO口電壓最大為3.3 V，為此增加了一個(gè)三級(jí)管，來(lái)放大IO口的電壓信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)IO口高低電平控制繼電器的開(kāi)關(guān)。TFT顯示設(shè)計(jì)采用ST7735這一屏幕顯示控制芯片，顯示屏幕大小為1.8寸?？赏ㄟ^(guò)SPI通道與MCU通信，從MCU獲得指令與數(shù)據(jù)顯示所需要的內(nèi)容。Lora通信采用E64-433T20S，相比于ZigBee通信方式，Lora具有抗干擾能力強(qiáng)、通行距離遠(yuǎn)超前者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該種型號(hào)的Lora還具有星型組網(wǎng)與抗阻塞的功能，設(shè)置好主從機(jī)可自動(dòng)尋找信號(hào)連接，在大批量數(shù)據(jù)發(fā)送造成信道擁堵時(shí)，還可以暫時(shí)保存數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)不丟失。

2.2? 區(qū)域控制器

區(qū)域控制主控采用STM32F429IGT6，該芯片為ST公司生產(chǎn)的高性能Cortex-M4芯片，性能高，能夠滿(mǎn)足RGB屏幕刷新所需要的大量資源。同時(shí)，該芯片有3個(gè)USART模塊，可以滿(mǎn)足從下位接收信息與向上發(fā)送數(shù)據(jù)的需求。RGB-LCD顯示系統(tǒng)采用一塊7寸1 024*600分辨率的RGB彩屏，觸摸芯片為GT911，該屏幕與MCU通過(guò)FSMC接口相連，另外外接一個(gè)512 MB的SDRAM作為顯存暫時(shí)存放圖像。Lora通信采用E64-433T20S，與本文中上一模塊相同。NB-IoT模塊采用移遠(yuǎn)BC95模塊，可滿(mǎn)足對(duì)低功耗、長(zhǎng)待機(jī)、深覆蓋、大容量所要求的低速率業(yè)務(wù)，適合水泵控制對(duì)時(shí)間延遲低敏感、非連續(xù)移動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將不同單獨(dú)的功能單獨(dú)封裝成不同的子程序，分別編寫(xiě)調(diào)試，在需要時(shí)調(diào)用不同的子程序即可，既方便調(diào)試尋找問(wèn)題，又可以節(jié)約儲(chǔ)存空間。

3.1? 水泵控制器

系統(tǒng)初始化：調(diào)用芯片廠(chǎng)商庫(kù)函數(shù)完成對(duì)芯片所使用的基本資源的初始化，包括時(shí)鐘系統(tǒng)、IO復(fù)用、ADC采樣、SPI屏幕驅(qū)動(dòng)、串口通信。主程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)上電初始化好各個(gè)模塊后，開(kāi)始采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送至總控制器，循環(huán)進(jìn)行;在中斷程序中接收到來(lái)自主機(jī)的控制指令后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制程序，隨后回到觸發(fā)中斷處繼續(xù)執(zhí)行未執(zhí)行的任務(wù)。為防止MCU執(zhí)行異常造成事故，看門(mén)狗時(shí)刻監(jiān)控MCU運(yùn)行，一旦發(fā)生異常情況便復(fù)位MCU，重新初始化開(kāi)始執(zhí)行程序。

3.2? 區(qū)域總控制器

系統(tǒng)初始化：調(diào)用芯片廠(chǎng)商庫(kù)函數(shù)完成對(duì)芯片所使用的基本資源的初始化，包括時(shí)鐘系統(tǒng)、IO復(fù)用、FSMC模擬8080時(shí)序驅(qū)動(dòng)RGB屏幕、串口通信、屏幕觸摸芯片初始化。區(qū)域總控制器主程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)上電初始化好各個(gè)模塊后，開(kāi)始在LCD上顯示所獲取的水泵運(yùn)行信息，并將數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送到云端;如果有人工介入控制則執(zhí)行人工控制指令，執(zhí)行完畢后循環(huán)執(zhí)行。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站控制系統(tǒng)在研制完成后在學(xué)校有關(guān)企業(yè)的幫助下進(jìn)行了實(shí)際使用測(cè)試，取得了較為理想的成績(jī)，提高了管理效率，降低了勞動(dòng)成本，提高了對(duì)突發(fā)狀況的應(yīng)對(duì)能力。將信息與控制結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)狀況的把握。本系統(tǒng)總成本較低、可靠度高、使用壽命長(zhǎng)，使用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程無(wú)人控制以達(dá)到節(jié)約人力、物力的效果。

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