基于STM32單片機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

李浩正 陳良展 張騰

摘? ?要：我國是水利大國，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)依然停留在過去的專人管理時代，遇到緊急突發(fā)狀況時應(yīng)對能力差。文章結(jié)合我國各地泵站的管理現(xiàn)狀、工業(yè)自動化管理以及遠(yuǎn)程監(jiān)控水泵的要求，設(shè)計了一種基于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互聯(lián)網(wǎng)控制監(jiān)測水泵的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：泵站遠(yuǎn)程監(jiān)測;聯(lián)網(wǎng)控制;信息無線傳輸

在我國偏遠(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)行管理依然通過手工控制進(jìn)行，沒有全面的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，無法判斷設(shè)備的運(yùn)行工況，進(jìn)而影響泵站性能，無法獲得完整運(yùn)行數(shù)據(jù)，難以量化管理。且由于工人質(zhì)量參差不齊，對泵站形成了安全隱患。通過建立基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)泵站監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)采集，實時通信控制，較好地解決了上述問題。

1? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要包括4個功能：無線監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、無線通信、數(shù)據(jù)處理。具體如下。

（1）無線監(jiān)測。通過系統(tǒng)帶有的信號采集模塊來采集有關(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)場單獨(dú)每個水泵可控制開關(guān)，便于單獨(dú)維修檢查或者意外情況;二是每個泵站提供一個總控制器，便于現(xiàn)場管理員按照日常工作需求總控制;三是通過NB-IoT模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)控制啟停。（3）無線通信。一個區(qū)域內(nèi)的不同泵站通過Lora星型組網(wǎng)互相通信，所有數(shù)據(jù)匯集到一個區(qū)域內(nèi)的總控制器上，總控制器通過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)會保存下來，并對其進(jìn)行分析以獲取信息、生成數(shù)據(jù)報表等，同時監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實現(xiàn)以上功能，在硬件方面，設(shè)計兩個硬件平臺，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公司專門為物聯(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LPUART、一個10通道的12位ADC以及一個SPI模塊，可以滿足用戶的需求。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上常見的4-20MA信號壓力變送器;溫度傳感器采用PT100高精度熱電偶，優(yōu)點(diǎn)是測溫范圍大，溫度測量精度高，測量方法簡便，通過微控制器自帶的ADC即可測出;霍爾傳感器選擇開口型，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，且其在安裝時無需破壞原有電路線纜。繼電器控制系統(tǒng)采用歐姆龍公司G2R-1E-12V型號繼電器，耐壓值高，能夠滿足三相電機(jī)的高電壓要求。其驅(qū)動電壓為12 V，微控制器的IO口電壓最大為3.3 V，為此增加了一個三級管，來放大IO口的電壓信號，進(jìn)而通過IO口高低電平控制繼電器的開關(guān)。TFT顯示設(shè)計采用ST7735這一屏幕顯示控制芯片，顯示屏幕大小為1.8寸。可通過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)，同時該種型號的Lora還具有星型組網(wǎng)與抗阻塞的功能，設(shè)置好主從機(jī)可自動尋找信號連接，在大批量數(shù)據(jù)發(fā)送造成信道擁堵時，還可以暫時保存數(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，能夠滿足RGB屏幕刷新所需要的大量資源。同時，該芯片有3個USART模塊，可以滿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FSMC接口相連，另外外接一個512 MB的SDRAM作為顯存暫時存放圖像。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，可滿足對低功耗、長待機(jī)、深覆蓋、大容量所要求的低速率業(yè)務(wù)，適合水泵控制對時間延遲低敏感、非連續(xù)移動、實時傳輸數(shù)據(jù)的場景。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

3.1? 水泵控制器

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

系統(tǒng)上電初始化好各個模塊后，開始采集各個傳感器數(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自主機(jī)的控制指令后執(zhí)行對應(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，看門狗時刻監(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)用芯片廠商庫函數(shù)完成對芯片所使用的基本資源的初始化，包括時鐘系統(tǒng)、IO復(fù)用、FSMC模擬8080時序驅(qū)動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)上電初始化好各個模塊后，開始在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

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)行了實際使用測試，取得了較為理想的成績，提高了管理效率，降低了勞動成本，提高了對突發(fā)狀況的應(yīng)對能力。將信息與控制結(jié)合到一起，實現(xiàn)了對生產(chǎn)狀況的把握。本系統(tǒng)總成本較低、可靠度高、使用壽命長，使用本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程無人控制以達(dá)到節(jié)約人力、物力的效果。

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