楊 志，林 川，唐向紅

(貴州大學 計算機科學與技術(shù)學院，貴州 貴陽 550025)

在現(xiàn)實的液面監(jiān)測監(jiān)控中，某些領(lǐng)域的液面監(jiān)測工作尤為重要。例如：醫(yī)療領(lǐng)域，不當?shù)妮斠阂好姹O(jiān)測可能造成空氣栓塞，進而危害生命[1-2]；工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，無法實時監(jiān)測儲存容器的液面變更情況，可能會導致有害液體泄露，造成嚴重的安全事故[3-4]；江河防汛領(lǐng)域，及時發(fā)布水位變化信息，便于防汛防洪工作的預(yù)防和開展[5-7]。

目前，液面監(jiān)測主要有基于差壓式液位測量、基于超聲波法測量、基于光纖液位測量、基于激光液位測量，以及基于雷達波法液位測量等監(jiān)測方法[8-13]。然而，這些測量方法需要直接接觸被測液體，或者需要通過相關(guān)射線來進行液面監(jiān)測。這樣，在一些特殊場景(如輸液時)很可能會污染被測液體，不僅缺乏安全性，而且不具備通用性。

在生產(chǎn)生活中，由于液體位置控制不當造成的生命財產(chǎn)損失時有發(fā)生。傳統(tǒng)的液面監(jiān)測工作主要由人工完成，其數(shù)據(jù)計算及整理等工作不僅繁瑣，且存在誤差大、自動化程度低、效率低下等弊端。顯然，能夠安全有效地對危險液體進行實時監(jiān)測是必要的。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)的深度融合，數(shù)字化、智能化、安全化的液面監(jiān)測自動監(jiān)管平臺[3-4,6-7]已經(jīng)成為了一種必然的發(fā)展趨勢。

因此，本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)技術(shù)，采用新型電容感應(yīng)式液位測量[14]的方法，設(shè)計一個智能化的液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)日常生活中具有安全性要求的相關(guān)液體液面的監(jiān)控、監(jiān)測及預(yù)警。

1 設(shè)計思路

本文設(shè)計的液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)分為硬件端和軟件端兩個部分。硬件端以STM32處理器[15]作為控制中心，保障非接觸式液位傳感器模塊[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊、復位模塊等系統(tǒng)模塊的正常運行；軟件端由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機終端App、A9嵌入式開發(fā)實驗箱終端App(以下簡稱“A9實驗箱終端App”)這4個部分組成。

液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)的原理是通過非接觸式耦合電容液位傳感器[14]監(jiān)測液體液面信息。監(jiān)測的液面信息實時發(fā)送給STM32處理器，當被測液體的液面低于液位傳感器的最低檢測位置時，STM32處理器發(fā)出中斷指令，將液面信息由Wi-Fi模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器程序，用戶可以通過安卓手機終端App、A9實驗箱終端App及時接收液面報警信息并實時反饋給相關(guān)人員。液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)的工作流程

2 硬件設(shè)計

液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)的硬件端主要由STM32處理器[15]、2個非接觸式液位傳感器[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊及復位按鍵模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)硬件端模塊

2.1 STM32處理器

本系統(tǒng)的硬件模塊的控制核心是STM32F103RCT6微控制單元[15]，開發(fā)板型號為ALIENTEK MiniSTM32 V3.0單片機處理器[15]，簡稱STM32處理器。開發(fā)板資源圖如圖3所示。

圖3 開發(fā)板的資源圖

系統(tǒng)使用的開發(fā)板的資源及其功能如下所述：

RESET按鍵：其連接復位電路，以便在必要時對STM32處理器進行復位；

PA2和PA3：信號發(fā)送和接收串口，與Wi-Fi模塊的RXD和TXD分別連接，實現(xiàn)串口通信，進行數(shù)據(jù)傳輸；

PC11：連接液位傳感器1的輸出端口，接收傳感器1監(jiān)測的液體液面信息，同時將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器；

PC12：連接液位傳感器2的輸出端口，接收傳感器2監(jiān)測的液體液面信息，同時將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器；

GND：接地；

VCC：接5 V電源；

VOUT1 & VOUT2：提供3.3 V和5 V電源，為Wi-Fi模塊和液位傳感器供電；

USB_232接口：實現(xiàn)串口下載代碼、供電、串口通信3位一體的功能；

OLED & LCD共用接口：接入TFT-LCD液晶顯示屏。

在考慮系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體性能、系統(tǒng)響應(yīng)時間等要求的前提下，將STM32處理器與C51單片機詳細比較后，選擇STM32處理器作為本次設(shè)計的硬件模塊的控制中心。

2.2 非接觸式耦合電容液位傳感器

本系統(tǒng)共使用2個XKC-Y26-V非接觸式耦合電容液位傳感器[14]。在本系統(tǒng)中使用的液位傳感器的接口及其功能如下：

非接觸式耦合電容液位傳感器2：VCC接5 V電源，GND接地，M接5 V電源，設(shè)置傳感器的工作模式為高電平信號輸出；OUT接STM32處理器的PC12引腳，完成將液面監(jiān)測信息以脈沖形式發(fā)送給處理器的功能。

2.3 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊作為STM32處理器程序與云端服務(wù)器程序之間的數(shù)據(jù)傳輸芯片，其外圍接口如圖4所示。

圖4 Wi-Fi模塊的外圍接口

系統(tǒng)中使用的Wi-Fi模塊的接口及其功能如下：

GND：接地；

VCC：接3.3 V電源，對Wi-Fi模塊進行供電；

TXD：連接STM32處理器的PA3引腳，實現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便數(shù)據(jù)傳輸；

RXD：連接STM32處理器的PA2引腳，實現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便接收數(shù)據(jù)。

“你讓我怎么說？”劉麗芳情緒瞬間變得激動，“都是你丈夫做的好事！深更半夜去我家干嘛？偷點東西也就算了，為什么還要欺負我？”

2.4 液晶顯示屏模塊

本系統(tǒng)使用2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏作為硬件端的顯示界面。

2.5 復位按鍵

本系統(tǒng)使用STM32處理器的RESET按鍵，其連接單片機的復位電路，以便在必要的時候?qū)ο到y(tǒng)進行重置和復位。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件端主要由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機終端App和A9實驗箱終端App構(gòu)成。液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)軟件端的程序框架如圖5所示。

圖5 液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)軟件端的程序框架

3.1 STM32處理器程序

運行于STM32處理器上的主控程序即為液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)硬件端的控制程序。該主控程序主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸、硬件端的顯示界面、液位傳感器等多個模塊的控制及數(shù)據(jù)分析處理。

3.2 云端服務(wù)器程序

云端服務(wù)器程序的關(guān)鍵代碼包含：接收Wi-Fi模塊Socket請求的線程代碼；接收安卓手機終端App相應(yīng)端口的Socket請求的線程代碼；接收A9實驗箱終端App相應(yīng)端口的Socket請求的線程代碼；云服務(wù)器程序接收并處理STM32處理器程序發(fā)來的液面監(jiān)測信息的線程代碼；云端服務(wù)器程序?qū)⑻幚砗蟮囊好姹O(jiān)測信息存入消息鏈表的線程代碼；云端服務(wù)器程序?qū)⒁好姹O(jiān)測信息分發(fā)給安卓手機終端App、A9實驗箱終端App的線程代碼。

3.3 終端App程序

安卓手機終端App和A9實驗箱終端App為客戶端接收、分析和處理液體液面信息的主控程序，同時這兩個終端App還實現(xiàn)了顯示液面報警信息的功能。

4 系統(tǒng)集成與測試

4.1 系統(tǒng)軟硬件集成

系統(tǒng)硬件模塊的集成情況：STM32處理器、XKC-Y26-V液位傳感器1、XKC-Y26-V液位傳感器2、ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊、2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏、復位按鍵電路均已集成到系統(tǒng)中。

系統(tǒng)軟件程序的集成情況：STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機終端App、A9實驗箱終端App均已集成到系統(tǒng)中。

4.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試以液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域輸液報警方面的應(yīng)用為例展開，測試情況如下：

1)對下載好STM32處理器程序的開發(fā)板供電，處理器的電源指示燈亮并加載相關(guān)配置文件；液晶顯示屏顯示相關(guān)配置文件并正常啟動，表示處理器及液晶顯示屏處于正常的工作狀態(tài)。

2)液位傳感器正常工作，如圖6所示。對2個非接觸式耦合電容液位傳感器供電后，液位傳感器的紅色指示燈發(fā)亮，表示液位傳感器正在監(jiān)測液體液面信息。

圖6 液位傳感器

3)液位傳感器和Wi-Fi模塊正常傳輸液體液面信息，如圖7所示。當液體液面低于液位傳感器的最低檢測位置時，液位傳感器的紅色指示燈熄滅，處理器的紅色指示燈熄滅，顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)欄顯示“1,1”或“1,2” ，將液面監(jiān)測信息實時地發(fā)送給云端服務(wù)器程序。其中，“1,1”代表液位傳感器1的液面監(jiān)測信息，“1,2”代表液位傳感器2的液面監(jiān)測信息。

圖7 液位傳感器和Wi-Fi模塊傳輸?shù)囊后w液面信息

4)安卓手機終端App正常工作，如圖8所示。當安卓手機終端App收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時，手機震動且屏幕上的紅色文本顯示液位傳感器1監(jiān)測的液體液面信息，即“1號病房1號床位輸液完畢！請進行換液！”，表示安卓手機終端App正常接收液面報警信息并顯示提示信息。

圖8 安卓手機App界面

5)A9實驗箱終端App正常工作，與安卓手機終端App正常工作一致。當A9實驗箱終端App接收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時，屏幕上紅色文本顯示監(jiān)測點(1號病房1號床位)的液位信息，即“1號病房1號床位輸液完畢！請進行換液！”。

5 結(jié)語

本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一個液面監(jiān)測自動報警系統(tǒng)，并實現(xiàn)了其在醫(yī)療領(lǐng)域的初步拓展應(yīng)用。該系統(tǒng)響應(yīng)及時，運行較為穩(wěn)定，可擴展性強(可以接入多個液位傳感器)。此外，該系統(tǒng)可以針對液體液面進行較為準確的非接觸式監(jiān)測，以及實時的數(shù)據(jù)分析和處理，在一定程度上解決實際生活中部分場景下具有安全性和時間性要求的液體液面監(jiān)測的問題。