基于STM32的城市二次供水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

廣州杰賽科技股份有限公司 陳龍飛

1.引言

隨著終端設(shè)備信息化集成程度的不斷提升，遠(yuǎn)程智能監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其是應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控等方面。城市二次供水泵站主要為彌補(bǔ)市政供水管線壓力不足，保證居住、生活在高層人群用水而設(shè)立的。通常，城市二次供水泵站內(nèi)來(lái)自國(guó)內(nèi)外廠家的設(shè)備大多價(jià)格昂貴且通信方式各異，城市供水泵房一般存在于地下室、偏僻居室內(nèi)，泵房?jī)?nèi)變頻柜、電機(jī)、水箱、供水管道等共存一室，而且室內(nèi)環(huán)境潮濕、陰暗，所以，工作人員需要時(shí)刻掌握泵房?jī)?nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)營(yíng)廠家投入大量人力、物力、時(shí)間進(jìn)行研發(fā)，從而不斷的增加產(chǎn)品成本，也間接也增加了用戶的使用成本。因此我們需要開發(fā)一款針對(duì)城市供水泵房的低成本設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的高效監(jiān)控，本文介紹了一種基于STM32單片機(jī)的泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案，方案充分利用STM32芯片的諸多硬件接口單元特點(diǎn)，綜合GPRS、以太網(wǎng)的通信優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套低成本、高可靠性、可配置具有多協(xié)議轉(zhuǎn)換和控制功能的二次供水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的主要通過(guò)安裝在二次供水泵站的監(jiān)控終端，使用有線通信和無(wú)線通信相結(jié)合的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心對(duì)二次供水泵站內(nèi)重要設(shè)備、泵站內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使調(diào)度中心能夠?qū)崟r(shí)掌控泵站運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 應(yīng)用框圖

如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 功能特點(diǎn)

為應(yīng)對(duì)泵房設(shè)備類型的多樣性，監(jiān)控終端具備多路模擬量輸入、開關(guān)量輸入、繼電器開關(guān)輸出、脈沖量輸入采集功能，支持RS232/485通信，支持以太網(wǎng)通信，并配備有顯示單元，用于城市供水泵站的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及電氣設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制。

(1)設(shè)備監(jiān)控

本系統(tǒng)中監(jiān)控終端采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32系列單片機(jī)作為微控制器，充分利用了該型單片機(jī)的接口與功能單元，在保證穩(wěn)定性情況下相比以往8位單片機(jī)大幅度提高了系統(tǒng)運(yùn)作效率。泵站內(nèi)各電氣設(shè)備間數(shù)據(jù)通信與處理相互獨(dú)立，互不干擾，監(jiān)控終端對(duì)供水泵站內(nèi)的變頻柜、PLC控制柜等設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)獲取泵站內(nèi)儲(chǔ)水箱水位、管網(wǎng)壓力、流量統(tǒng)計(jì)等信息，在漏水、漏電等事故發(fā)生后對(duì)機(jī)房相關(guān)設(shè)備自動(dòng)斷電。

(2)環(huán)境監(jiān)控

監(jiān)控終端對(duì)泵房環(huán)境的溫濕度情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸泵房?jī)?nèi)各設(shè)備運(yùn)行狀況及有關(guān)數(shù)據(jù)信息到調(diào)度中心。調(diào)度控制中心可以對(duì)泵房設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。由于城市供水泵房多部分建設(shè)于樓宇地下室、偏遠(yuǎn)地段，所以根據(jù)泵房所在環(huán)境位置的不同，本系統(tǒng)選擇使用無(wú)線與有線兩種通信方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)泵站與調(diào)度中心的通信。

3.監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)功能

監(jiān)測(cè)終端具備多通道數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信傳輸、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示和功能參數(shù)組態(tài)配置等功能，主要由主控制模塊、顯示模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊以及機(jī)箱外殼組成，用于城市供水泵站的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及電氣設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制。

主控制板上設(shè)有參數(shù)存儲(chǔ)芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片、以太網(wǎng)通信芯片、溫濕度感應(yīng)芯片等器件，具備多路模擬量輸入、開關(guān)量輸入、脈沖量輸入和開關(guān)量輸出通道，并支持以太網(wǎng)通信。

(1)模擬量采集功能用來(lái)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的壓力、水位等數(shù)據(jù)信息；

(2)開關(guān)量輸入用于監(jiān)測(cè)供水泵房的市電供應(yīng)、浸水狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行、泵房門禁狀態(tài)；

(3)脈沖量輸入可用來(lái)采集以脈沖輸出計(jì)數(shù)的流量計(jì)信息；

(4)開關(guān)量輸出采用繼電器隔離輸出，用于控制燈光開關(guān)、泵房電機(jī)啟動(dòng)；

現(xiàn)在這條小路是這樣走的：南池秦望村——后嶺村嶺頂(有天衣寺)——向左——上何山——沙灘——紅墻下——水林剃頭店門口上山到桃家山——桃紅村溪坑沿口上山——鵝鼻山。

(5)模擬量輸入、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、脈沖量輸入端口均支持功能組態(tài)；

(6)以太網(wǎng)通信口，支持TCP/UDP兩種協(xié)議，可配置成Client/Server模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在無(wú)線信號(hào)無(wú)法覆蓋的區(qū)域，比如某些地下泵房可使用網(wǎng)線將監(jiān)測(cè)器接入互聯(lián)網(wǎng)后連接到調(diào)度中心。

3.2 微控制器選型

本系統(tǒng)監(jiān)控終端的微控制器采用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103VC作為控制核心，CortexM3內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。該芯片最高主頻可達(dá)到72MHz，具有256K字節(jié)的閃存以及48K字節(jié)的SRAM。STM32F103VC自帶12位精度的ADC逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1s，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用定時(shí)器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)Χ嗦沸盘?hào)進(jìn)行同步采樣。STM32F103VC具有3個(gè)通用同步異步收發(fā)器(USART)，2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)。

3.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)采集單元由模擬量采集、開關(guān)量采集兩部分組成。

(1)模擬量采集

泵站設(shè)備數(shù)據(jù)輸出接口的信號(hào)主要為工業(yè)通信使用的4-20mA電流信號(hào)，因此，首先要將其轉(zhuǎn)換為滿足STM32F103VC ADC輸入范圍的電壓信號(hào)，以便進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。電壓信號(hào)輸入到STM32的ADC模擬輸入通道。

(2)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集

(3)繼電器控制輸出

監(jiān)控終端配備有繼電器單元，通過(guò)大功率中繼繼電器，可以控制外部高壓設(shè)備電源的開啟與停止。

3.4 通信單元設(shè)計(jì)

兩種通信方式：

GPRS通信：監(jiān)控終端內(nèi)配有支持GPRS的DTU，終端內(nèi)數(shù)據(jù)控制器與DTU通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口進(jìn)行全雙工通信。DTU內(nèi)建TCP/IP協(xié)議，具有透明的TCP/UDP傳輸信道，提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485接口，可直接與專業(yè)工控采集設(shè)備、專業(yè)的偵測(cè)器連接，并支持偵測(cè)GPRS線路通訊狀況斷線重連功能。監(jiān)控終端通過(guò)串口連接DTU，將數(shù)據(jù)信息送入電信運(yùn)營(yíng)商的GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心遠(yuǎn)程無(wú)線通信。

以太網(wǎng)通信：終端控制器使用ENC28J60以太網(wǎng)控制器，支持TCP/UDP協(xié)議傳輸，E NC28J60和STM32F103VC通過(guò)SPI連接來(lái)進(jìn)行通信，STM32F103VC對(duì)ENC28J60的各種操作均通過(guò)SPI接口進(jìn)行，包括寄存器的設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。正確設(shè)置ENC28J60的MAC地址與IP地址、子網(wǎng)掩碼以及網(wǎng)關(guān)后，系統(tǒng)可選擇通過(guò)UDP、TCP的方式接入寬帶互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心通信。

3.5 調(diào)度中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)度中心系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)滿足直觀、方便、實(shí)用、安全等要求，具有靈活的模塊組裝性能，采用多層C/S、B/S架構(gòu)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，通信服務(wù)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程端站的所有通信功能控制和處理，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理和存盤操作，Client(客戶端)負(fù)責(zé)提供顯示和操作通信服務(wù)器的用戶界面信息，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器則用于提供整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)服務(wù)。

中心系統(tǒng)軟件的功能特點(diǎn)：

(1)點(diǎn)測(cè)。當(dāng)用戶需要對(duì)遠(yuǎn)程RTU端站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)候，系統(tǒng)使用這個(gè)功能將遠(yuǎn)程RTU實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)返中心系統(tǒng)；

(2)巡測(cè)。當(dāng)用戶需要對(duì)系統(tǒng)所有RTU端站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新監(jiān)測(cè)的時(shí)候，使用此功能；

(3)數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)。當(dāng)中心調(diào)度系統(tǒng)由于停電或無(wú)線通信情況不夠好等原因，造成定時(shí)檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù)無(wú)法保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，端站運(yùn)行正常的時(shí)候，可使用此項(xiàng)功能將存于該RTU端站中指定時(shí)段的定時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中；

(4)系統(tǒng)校時(shí)。在電臺(tái)通信方式下，每次定時(shí)開始之前，先對(duì)系統(tǒng)下所有相關(guān)RTU端機(jī)進(jìn)行一次校時(shí)。對(duì)于GPRS等網(wǎng)絡(luò)通信方式的RTU，每天只需校時(shí)一次，一般由系統(tǒng)在每天的0點(diǎn)0分0秒開始進(jìn)行一輪終端校時(shí)；

(5)參數(shù)查詢與讀取。中心系統(tǒng)可以對(duì)各個(gè)泵站監(jiān)控終端的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀??；

(6)報(bào)警功能。系統(tǒng)支持兩種報(bào)警類型，第一種是從點(diǎn)測(cè)回來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中進(jìn)行上下限等分析后形成報(bào)警信息。第二種是端機(jī)突發(fā)事件或門禁報(bào)警，報(bào)警數(shù)據(jù)源直接來(lái)自下位端機(jī)以命令的形式送回中心系統(tǒng)。

(7)歷史數(shù)據(jù)維護(hù)與曲線分析。系統(tǒng)應(yīng)提供模擬量和開關(guān)量歷史定時(shí)數(shù)據(jù)的查改維護(hù)功能。歷史數(shù)據(jù)的查改按數(shù)據(jù)處理的不同可以分為：日、月和年歷史數(shù)據(jù)查改。歷史數(shù)據(jù)的曲線分析按日月年不同的歷史數(shù)據(jù)分為兩大類型：多時(shí)段數(shù)據(jù)曲線，功能是對(duì)一個(gè)參數(shù)，在多個(gè)時(shí)段的變化對(duì)比，在圖形中不同的時(shí)段將以不同顏色顯示；多參數(shù)數(shù)據(jù)曲線，給出多個(gè)參數(shù)在同一個(gè)天的變化對(duì)比，在圖形中將以不同顏色代表不同的參數(shù)進(jìn)行顯示。

4.結(jié)論

本文介紹的供水泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)采用ST公司cortex-m3核心的STM32F103VC微控制器，芯片包含豐富的功能模塊，自帶有16路A/D轉(zhuǎn)換、5路串口通信等功能，在滿足應(yīng)用需求的同時(shí)又簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。本系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，采用MODBUS協(xié)議通過(guò)無(wú)線通信與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，隨著城市供水泵站自動(dòng)化程度的提高，這種基于STM32的城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)將有更高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。