基于GSM的無人值守小型潛水泵站監(jiān)控系統(tǒng)

夏鶴鵬+湯黎明

摘 要：基于GSM設(shè)計了小型潛水泵站監(jiān)控系統(tǒng)，以單片機STC90C52為數(shù)據(jù)存儲、運算及系統(tǒng)控制中心，以PCB8591模塊和達林頓管為主要器件，設(shè)計了模擬量AD/DA轉(zhuǎn)換和開關(guān)量控制的外圍電路，通過單片機與GSM模塊的串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，利用GPRS網(wǎng)的短信平臺實現(xiàn)小型潛水泵站遠程開機、停機和電動閥門控制以及泵站運行主要技術(shù)參數(shù)的短信查詢。研究成果對實現(xiàn)偏遠地區(qū)小型泵站無人值守具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：潛水泵站；單片機；GSM；控制與監(jiān)測

中圖分類號： TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）32-177-2

0 引言

為了加強我國農(nóng)村水利基礎(chǔ)實施，“十二五”期間我國新建兩萬余座中小型泵站，其中小型潛水泵站因其結(jié)構(gòu)簡單而得到了廣泛應(yīng)用，它們在我國的農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)增收和民生工程中發(fā)揮了巨大作用。農(nóng)村小型潛水泵站因其面大量廣，規(guī)模小而分散且部分泵站地處偏遠，人工管理不便。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，GSM/GPRS移動網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與覆蓋，為小型泵站無人值守提供技術(shù)平臺。為了實現(xiàn)小型潛水泵站無人值守，筆者基于GSM移動網(wǎng)絡(luò)短信平臺設(shè)計了泵站監(jiān)控系統(tǒng)。

1 潛水泵站監(jiān)控的技術(shù)要求

本文主要介紹利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對中小型泵站運行情況的遠程控制與監(jiān)測。主要遠程開停機控制、相關(guān)運行參數(shù)檢測、實時調(diào)節(jié)相關(guān)運行工況調(diào)節(jié)等功能。重點論述關(guān)鍵技術(shù)研究的重要組成部分、軟硬件設(shè)計及遠程控制與監(jiān)測的實現(xiàn)等方面。

泵站主要技術(shù)參數(shù)中的模擬量由壓力壓差傳感器采集，并經(jīng)過AD/DA轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，開關(guān)量則是由達林頓管驅(qū)動中間繼電器實現(xiàn)。系統(tǒng)的控制系統(tǒng)通過I2C總線的DA轉(zhuǎn)換模塊，并設(shè)計單片機與傳感器之間的接口電路，基于GSM/GPRS技術(shù)的實現(xiàn)小型潛水泵站的變頻調(diào)速、智能閥的開度調(diào)節(jié)等。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主要功能

根據(jù)當前實際工作的需要，本系統(tǒng)能實現(xiàn)以下基本功能：

①泵站實現(xiàn)遠程開停機控制；

②泵站運行工況相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測；

③泵站運行工況的調(diào)節(jié)；

2.2 遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的總體框架圖

泵站遠程監(jiān)測與控制的監(jiān)控部分框架圖如圖1所示，由圖可以清晰地看出單片機在整個過程當中的重要作用。單片機在泵站遠程監(jiān)測與控制過程當中能夠?qū)崟r的對泵站的運行機組進行開停機的操作，同時也對泵站運行工況進行監(jiān)測與調(diào)節(jié)，單片機通過實時監(jiān)測泵站的相關(guān)運行參數(shù)，將參數(shù)通過短信模塊以短信的形式及時的發(fā)送到值班人員的手機中。這樣值班人員可以觀察相關(guān)的運行參數(shù)，通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送指令給單片機，單片機通過判斷短信模塊的信號來對水泵站的機組的揚程、流量、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)進行調(diào)節(jié)，充分實現(xiàn)了小型泵站無人值守遠程監(jiān)測與控制的功能。

3 關(guān)鍵硬件設(shè)備電路的設(shè)計[1—3]

3.1 新版西門子GSM模塊TC35i介紹

TC35i西門子工業(yè)GSM模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3-4.8V，電流消耗——休眠狀態(tài)為3.5mA，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA（平均），可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗EGSM900和GSM1800分別為2W和1W，通過接口連接器和天線連接器分別接至SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓3V/1.8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口通過AT指令課雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持TEXT和PDU格式的短消息。

TC35i 由供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF 連接器、天線接口等 6 部分組成。作為 TC35i 的核心基帶處理器主要處理 GSM 終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。

3.2 STC89c52單片機對TC35i模塊的連接與控制

本課題只是利用GSM模塊短信的接收與發(fā)送功能，因此只利用到TC35i模塊的數(shù)據(jù)傳輸與接收接口。接口連接如圖2所示，TC35i的18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通信腳，分別于單片機的RXD和TXD相連接。TC35i模塊有40個引腳，通過一個 ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。

16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和 DCD0。TC35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標準。它有固定的參數(shù)：8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位，無校驗位，波特率在 300bps～115kbps之間可選，本系統(tǒng)默認為9600。其中TC35i 使用外接式SIM卡， 24～29為SIM 卡引腳，SIM卡同 TC35i是這樣連接的：SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND 通過SIM卡閱讀器與 TC35i 的同名端直接相連，ZIF 連接座的CCIN引腳用來檢測SIM 卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。

3.3 單片機的其他電路連接

單片機的其他電路的設(shè)計與連接包括泵站開停機的控制、泵站運行參數(shù)的開關(guān)量輸入和輸出。針對上述設(shè)計的需要，本團隊在系統(tǒng)加入了PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換模塊。本團隊所用的PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換模塊是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0， A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無須額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。可以跟AT89C52單片機連接并運行，滿足上述需求。開停機控制原理圖如圖3所示。PCF8591連接原理圖如圖表4所示。

4 GSM模塊實現(xiàn)短信的收發(fā)功能[4～5]

4.1 短信的接收與發(fā)送流程圖

新版西門子GSM模塊接收和發(fā)送短信，過程如圖5所示。首先必須初始化GSM模塊，同時對模塊中的串口速率、無線網(wǎng)絡(luò)信號等進行檢測，看其是否正常運行，之后設(shè)置GSM模塊短信的模式，因為GSM模塊短信模式分為TXT和PDU模式，因此應(yīng)將模式設(shè)置為PDU模式。當系統(tǒng)完成一系列工作是系統(tǒng)進行處理短信的一系列工作，然后依次循環(huán)工作。

4.2 短信接收和發(fā)送的工作過程

TC35i的控制采用AT+xxx（xxx為相關(guān)指令）的方式實現(xiàn)。單片機發(fā)送正確的AT指令對TC35i進行短信的接收與發(fā)送。TC35i的模式有2中：TXT模式和PDU模式。本團隊系統(tǒng)采用PDU模式來實現(xiàn)短信的接收和發(fā)送。TC35i運行后給單片機發(fā)送一條字符串，表示GSM模塊已經(jīng)運行，可以執(zhí)行下一步的命令，接下來就可以通過AT指令控制其工作。

5 完整電路系統(tǒng)的運行

將單片機、GSM模塊、PCF8591模塊、直流繼電器、傳感器、小型潛水泵和控制電路板相互連接并接至各端的電源，打開電源保證各元件正常工作。當所有元件正常工作時，首先觀察到GSM模塊的指示燈從一燈到四燈依次被點亮，點亮完成后全部熄滅，二、三燈再被點亮后熄滅，此時手機會接收到GSM模塊發(fā)出的Ready on的短信。當收到短信時說明此時的電路連接正常。接下來就能進行小型潛水泵的控制，從手機端發(fā)送K1指令，GSM模塊二、三閃爍后收到指令，通過單片機和控制電路將直流繼電器吸合接通小型潛水泵開關(guān)，水泵正常運行，手機接收到Run on的短信。當手機端發(fā)送K0指令時，GSM模塊會給單片機發(fā)送關(guān)閉指令，斷開繼電器從而使水泵電路斷電，水泵停止工作，手機會收到Run off的短信。上面這些步驟實現(xiàn)了水泵的開停機工作，下面介紹水泵相關(guān)參數(shù)的讀取和控制。當手機端發(fā)送K3指令時，單片機會將PCF8591讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給GSM模塊，GSM模塊再發(fā)送內(nèi)容給手機，此時手機會接收到水泵的轉(zhuǎn)速n（r/min）、揚程H（m）、水位差h（m）等相關(guān)參數(shù)信息。如果此時的某些參數(shù)不滿足實驗者的要求，實驗者可以通過手機發(fā)送相關(guān)調(diào)節(jié)的參數(shù)的數(shù)值，單片機會將某一參數(shù)的數(shù)值自動調(diào)節(jié)實驗者的設(shè)定值，以轉(zhuǎn)速為例，本課題用sd0000～sd1500表示轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍，任意發(fā)送一條指令后水泵將會調(diào)節(jié)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)遠程水泵實時參數(shù)的讀取和調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

基于AT89C52和TC35i模塊利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對中小型泵站運行情況的遠程控制與監(jiān)測的系統(tǒng)，將泵站的遠程監(jiān)測、遠程控制、便捷管理等功能集成一體，本系統(tǒng)不僅具有實用性能強，覆蓋區(qū)域廣，可靠性能高，可移動等優(yōu)勢，而且能夠降低小型潛水泵站的管理成本和認為管理失誤率，提高泵站設(shè)備的運行效率和運行安全系數(shù)。本系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)控制，當今無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)達，成本較低，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

參 考 文 獻

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