基于LoRa 的水泵智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

戴 楊，張晴暉，李俊萩，宋 燚，秦明明

（西南林業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

目前，大部分小型泵站仍然采用傳統(tǒng)的人工操作方式，部分泵站使用了水位浮子配合簡易遙控裝置能實(shí)現(xiàn)簡單的半自動運(yùn)行[1-3]，但這種方式依然需要人工輔助，且單向遙控易受外界干擾，并不可靠。部分控制系統(tǒng)使用PLC 或單片機(jī)作為控制核心，可以對設(shè)備及水位狀況做出簡單判斷，但仍然無法做到無人值守[4-6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、邊緣計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算技術(shù)逐漸應(yīng)用于小型泵站的智能控制，使得水泵的智能全自動控制成為可能[7-8]。

根據(jù)小型泵房管理特點(diǎn)，本文提出了一種基于LoRa 物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式及邊緣計(jì)算技術(shù)的水泵智能控制系統(tǒng)（見圖1），用于水塔與多個泵站間的自動控制。系統(tǒng)除具備水塔實(shí)時水位采集、水泵自動起停、智能保護(hù)、數(shù)據(jù)查詢及實(shí)時顯示功能等功能外，還引入了邊緣計(jì)算技術(shù)。整個網(wǎng)絡(luò)沒有中心節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都能從網(wǎng)絡(luò)中平等地獲取數(shù)據(jù)，獨(dú)立運(yùn)算，自動調(diào)整啟動閾值以達(dá)到最佳調(diào)度效果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在該項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用了“穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式”[9]，依托學(xué)院創(chuàng)新基地及學(xué)?？萍紕?chuàng)新基金支持，使項(xiàng)目順利進(jìn)行且具有較好的延續(xù)性，同時也增強(qiáng)了參與項(xiàng)目學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

該系統(tǒng)已在西南林業(yè)大學(xué)的供水系統(tǒng)中進(jìn)行了部署實(shí)驗(yàn)，在校園面積擴(kuò)大、在校生人數(shù)持續(xù)增加但水源沒有增加的情況下高效調(diào)度水泵工作。至今，該系統(tǒng)運(yùn)行已有2 年時間，期間未出現(xiàn)過異常停水的情況，有效保障了供水安全。同時，其為物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式課程教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)平臺與數(shù)據(jù)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來源于解決西南林業(yè)大學(xué)改擴(kuò)建后用水量急劇上升但水源并未增加導(dǎo)致供水不足問題。泵房原有設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了無線電遙控功能，但功能較為簡單，且不具備設(shè)備保護(hù)功能。運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)水塔溢出或放空的情況，一方面浪費(fèi)了水資源，另一方面空轉(zhuǎn)和長時間工作導(dǎo)致水泵電機(jī)燒毀。簡單的低水位抽水、高水位停機(jī)無法根據(jù)實(shí)際用水量進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)常導(dǎo)致用水高峰期停水。各個水池的水位只能靠人工查看，增加人力投入也無法做到實(shí)時掌握，進(jìn)一步增加了調(diào)度的難度?；谝陨蠁栴}，設(shè)計(jì)了一套基于LoRa 物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合邊緣計(jì)算及嵌入式技術(shù)的水泵智能控制系統(tǒng)。

如圖1 所示，整套系統(tǒng)的硬件由用于水塔水位采集的水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、用于泵房自動監(jiān)測及控制的泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、用于LoRa 數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)關(guān)、后臺管理及服務(wù)系統(tǒng)4 部分組成。

1.1 水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時監(jiān)測水塔水位，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向各個節(jié)點(diǎn)提供水塔水位數(shù)據(jù)及高低水位警告。考慮到水塔一般位置較高，不便使用市電，水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為使用太陽能供電，可降低系統(tǒng)的部署難度及成本。另外，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)具備2 套相互獨(dú)立的液位傳感裝置，可對采集到的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，自動上報傳感器故障。

圖2 為水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)原理框圖，主要包括MCU、水位信號采集和電源管理3 部分。其中MCU 采用了STM32F103，其豐富的片上資源減少了外圍元件的使用、方便了硬件設(shè)計(jì)，Cortex_M3 內(nèi)核為邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了充足的運(yùn)算能力[10]。無線收發(fā)器采用了SX1278 非授權(quán)頻譜LoRa 調(diào)制芯片，采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方式可以有效提高靈敏度、抗干擾能力和信道容量[11]，使用較低的功耗實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，適合遠(yuǎn)距離組網(wǎng)使用[12]。

圖2 水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)原理框圖

水位數(shù)據(jù)采集采用了電流型投入式液位感器，通過轉(zhuǎn)換電路將4～20 mA 電流信號轉(zhuǎn)換為0～5 V 電壓信號后送入ADC 采樣后換算為水池實(shí)際水位。水位過低或過高時會觸發(fā)水位浮子翻轉(zhuǎn)，使浮子驅(qū)動電路產(chǎn)生電平變化觸發(fā)MCU 外部中斷使系統(tǒng)獲取水位超限信息。電源系統(tǒng)收集太陽能為節(jié)點(diǎn)提供電力并為鋰電池充電，夜間及陰雨天則由鋰電池提供電源。

1.2 泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時采集泵房水池的水位狀態(tài)，完成與網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)及自身運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合計(jì)算，自動控制水泵工作。

圖3 為泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)原理框圖，主要由MCU、液晶顯示屏、控制旋鈕、電源管理、4 路模擬電流量輸入、4 路無源開關(guān)量輸出6 個部分組成。溫度探頭用于監(jiān)測水泵運(yùn)行的溫度，配合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)的功能。水位傳感器用于監(jiān)測泵房水池的水位變化，為低水位停機(jī)及抽水時長提供數(shù)據(jù)。開關(guān)量輸出單元通過驅(qū)動繼電器的通斷來控制變頻器啟動水泵抽水。液晶顯示屏、操作旋鈕及啟動/停止按鈕構(gòu)成用戶交互界面，用戶可以通過液晶屏查看各個節(jié)點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕可對菜單進(jìn)行操作修改當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)。使用啟動/停止按鈕可以實(shí)現(xiàn)水泵的手動啟動及緊急停機(jī)。

圖3 為泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)原理框圖

1.3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是LoRa 傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)銜接的橋梁，將來自物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP 數(shù)據(jù)，并將來自網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給各個節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)同樣使用 STM32F103 作為處理器，使用SX1278 作為收發(fā)模塊。整個裝置安裝在鋁壓鑄盒內(nèi)，能適應(yīng)長期戶外使用。網(wǎng)關(guān)的電源采用了48VPOE 供電，安裝時只需要一根網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)供電與數(shù)據(jù)傳輸。

2 節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了去中心化的思想，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都處于平等地位，平等地接收信息并擁有自主決定權(quán)。這使得部分節(jié)點(diǎn)的退出不影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

節(jié)點(diǎn)底層軟件設(shè)計(jì)調(diào)用了SX1278 的底層API，通過SPI 總線協(xié)議進(jìn)行通信。所有節(jié)點(diǎn)均工作于ClassC模式，收發(fā)器不進(jìn)入休眠，保證數(shù)據(jù)包的可靠接收。

圖4 為節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖。程序主進(jìn)程循環(huán)采集傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算并刷新運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)控制水泵的啟動與停止。數(shù)據(jù)收發(fā)、屏幕刷新、用戶操作、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)采用中斷響應(yīng)方式編寫，可以減少液晶屏刷新、用戶操作等進(jìn)程在系統(tǒng)運(yùn)行中占用的運(yùn)算資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，將更多資源留給計(jì)算運(yùn)行參數(shù)。定時器1 用于啟動LoRa 數(shù)據(jù)發(fā)送子進(jìn)程，將本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)中；定時器2 用于啟動液晶屏刷新子進(jìn)程，設(shè)定每0.5 s 進(jìn)行一次刷新。用戶操作子進(jìn)程由用戶觸動控制按鈕激活，操作完成進(jìn)程隨即關(guān)閉。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收子進(jìn)程由物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)包觸發(fā)，程序自動判斷數(shù)據(jù)包來源和類型后對節(jié)點(diǎn)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，數(shù)據(jù)更新完成進(jìn)程即關(guān)閉?？撮T狗程序可以在程序出現(xiàn)錯誤時重啟系統(tǒng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)幀格式采用LoRa 規(guī)范的幀格式，由前導(dǎo)碼、物理頭、負(fù)載和校驗(yàn)組成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。數(shù)據(jù)幀起始兩字節(jié)為地址碼，分別標(biāo)識節(jié)點(diǎn)的簇編號和節(jié)點(diǎn)ID 號；地址碼后是兩字節(jié)操作代碼，用于標(biāo)識該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)定義；其后是16 字節(jié)數(shù)據(jù)；最后是6字節(jié)時間代碼。

圖4 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖5 LoRa 無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式

2.2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)自動更新算法設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中自動收集來自傳感器的數(shù)據(jù)和來自其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，按算法計(jì)算并更新控制參數(shù)。每個節(jié)點(diǎn)的計(jì)算過程相互獨(dú)立，不依賴于服務(wù)器，但節(jié)點(diǎn)會將更新后的控制參數(shù)發(fā)送到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，完成與其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互。這種處理模式在源頭對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使整個網(wǎng)絡(luò)去中心化，能有效提高系統(tǒng)的可靠性[13]。

每個節(jié)點(diǎn)啟動水泵的條件都由本泵站的水位、其余泵站的工作狀態(tài)、水塔水位的變化情況計(jì)算得出。其計(jì)算的依據(jù)為水塔輸出水量的變化情況。節(jié)點(diǎn)會在每次抽水結(jié)束后定時計(jì)算水塔水位下降的速率，計(jì)算方式如下：

式中，k 為Δt 時間內(nèi)水位下降的速率，其數(shù)值反映了用水量的大小；ht為根據(jù)水位下降速率求出的t 時刻水泵啟動水位。為排除干擾，準(zhǔn)確反映該時間段內(nèi)水位下降的速率，系統(tǒng)循環(huán)計(jì)算k 值，并求出其平均值kn，如式（2）所示。kn用于動態(tài)調(diào)整水泵啟動條件中的水塔水位下限，如式（3）所示。

式中，ht限制于節(jié)點(diǎn)設(shè)置的水塔上限水位hH和水位下限hL之間；b 為常數(shù)，該參數(shù)是經(jīng)驗(yàn)值，需要根據(jù)水塔容積及運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。

該策略可以讓水泵在用水量大時提高抽水頻率，水塔中保持較高的水位；在用水量低時延長水泵停機(jī)時間，降低啟動頻率，減少設(shè)備磨損。

2.3 節(jié)點(diǎn)操作界面設(shè)計(jì)

圖6 用戶操作界面

節(jié)點(diǎn)內(nèi)建了實(shí)時數(shù)據(jù)顯示及用戶操作界面，在無用戶操作時液晶屏顯示為待機(jī)界面（圖6(a)）。該界面顯示了本節(jié)點(diǎn)及相鄰節(jié)點(diǎn)的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)。用戶按下控制旋鈕即進(jìn)入菜單選項(xiàng)（圖6(b)），旋轉(zhuǎn)控制旋鈕可以對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改（圖6(c)—6(f)），確認(rèn)后的參數(shù)會被保存到MCU 的EEPROM 中，掉電不會丟失。

3 后臺服務(wù)程序設(shè)計(jì)

后臺服務(wù)軟件由節(jié)點(diǎn)管理與WEB 服務(wù)2 部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)管理用于采集來自各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，也負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)更新及遙控指令下發(fā)。WEB 服務(wù)為用戶提供數(shù)據(jù)查詢及實(shí)時展示，可通過網(wǎng)頁查看各個節(jié)點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)分析功能。

3.1 節(jié)點(diǎn)管理程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)管理程序通過網(wǎng)關(guān)監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)并存儲入數(shù)據(jù)庫。同時實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)更新及異常檢測功能。

為保持各個節(jié)點(diǎn)的時間一致，管理程序通過北斗NTP 獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，通過下發(fā)數(shù)據(jù)幀的時間字段對各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校時。當(dāng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起遙控請求時，管理程序?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為控制指令，通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常時，節(jié)點(diǎn)管理程序?qū)惓Ｐ畔l(fā)送給用戶，便于故障的排查處理。

3.2 WEB 服務(wù)程序設(shè)計(jì)

WEB 服務(wù)后端基于Django 開源框架實(shí)現(xiàn)，前端采用響應(yīng)式布局設(shè)計(jì)，支持PC 端和手機(jī)端瀏覽，以圖形圖表的方式展示了用水量變化、實(shí)時水位、設(shè)備電量和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到應(yīng)用場景的特殊性，以及工作人員的使用便捷問題，工作人員只需輸入指定網(wǎng)址即可查看各參數(shù)的變化情況。頁面默認(rèn)只顯示過去24 h 內(nèi)各參數(shù)的變化圖形，可點(diǎn)擊圖形查看各參數(shù)的具體數(shù)值。通過曲線的變化，用戶可以了解到最近時段的用水情況，結(jié)合系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)分析功能可快速判定用水管道設(shè)施是否發(fā)生故障，以便提前做好保障用水的應(yīng)對措施。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 泵房控制節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的部署

本系統(tǒng)在西南林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行實(shí)際部署，共建設(shè)了兩個網(wǎng)關(guān)，2 個泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，一個水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。圖7(b)為水塔監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)物，節(jié)點(diǎn)使用ABS 工程塑料外殼封裝，可使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝。圖7(c)為水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)物，該節(jié)點(diǎn)使用鋁壓鑄外殼封裝，可抵御戶外惡劣條件，保證穩(wěn)定運(yùn)行。圖7(d)-(f)分別為網(wǎng)關(guān)、泵房監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、水塔監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)際部署照片。

圖7 部署區(qū)域及實(shí)物照片

4.2 WEB 服務(wù)端測試

本系統(tǒng)的WEB 服務(wù)端界面能夠從宏觀上觀察各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。圖8 為2019 年10 月29—31 日的WEB 界面。通過該界面可以實(shí)時查看各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，界面上同時顯示了現(xiàn)有的2 個泵房1 個水塔的實(shí)時數(shù)據(jù)。包括：實(shí)時水位、設(shè)備的電源電壓、水位變化的波動情況、水泵的運(yùn)行狀態(tài)。其中水塔的下限水位在不斷變化，這是系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)的結(jié)果。圖中的設(shè)備電量是設(shè)備的工作電壓，其大幅度跳變是因?yàn)樘柲芤褳殡姵爻錆M電，系統(tǒng)顯示太陽能電池的開路電壓。通過WEB 界面用戶還可指定時間段對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。

圖8 WEB 前端界面

圖9 為手機(jī)端軟件運(yùn)行效果。用戶通過手機(jī)端軟件能查看各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)繪制出的曲線，點(diǎn)擊曲線，可以查看該時刻的詳細(xì)數(shù)據(jù)，手機(jī)端也同樣支持?jǐn)?shù)據(jù)回放功能。

4.3 引入邊緣計(jì)算對提高供水可靠性的分析

通過對整個系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)截取進(jìn)行分析，得出2019 年10 月11—13 日各個節(jié)點(diǎn)的水位變化情況，如圖10 所示。圖中3 條折線分別顯示了水塔、#1 泵站水池、#2 泵站水池3 天的水位變化情況。從圖中可以看出，水塔水位下降速度越快，觸發(fā)泵站開始工作的最低水位就越高。其中12 日晚因#1 泵站停水觸發(fā)#1泵站監(jiān)控節(jié)點(diǎn)低水位保護(hù)，該緊急情況觸發(fā)了#2 泵站延長水泵工作時長，保證了水塔始終處于有水的狀態(tài)，未導(dǎo)致停水。待#1 泵站水位回升到正常水位后系統(tǒng)隨即恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖9 手機(jī)軟件界面

圖10 節(jié)點(diǎn)水位變化

5 結(jié)論

本系統(tǒng)針對多節(jié)點(diǎn)水泵系統(tǒng)智能化調(diào)度管理的需要，基于LoRa 物聯(lián)網(wǎng)及邊緣技術(shù)設(shè)計(jì)了一套水泵自動調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)在西南林業(yè)大學(xué)實(shí)際部署，并穩(wěn)定運(yùn)行了2 年時間。通過實(shí)際使用及對數(shù)據(jù)庫中存儲的大量數(shù)據(jù)抽取分析對比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該架構(gòu)體系有利于推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及邊緣計(jì)算在泵站自動化、智能化管理中的運(yùn)用，為泵房系統(tǒng)管理者將現(xiàn)場操作記錄向電子手持終端遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行轉(zhuǎn)移，降低勞動強(qiáng)度的同時也為供水保障提供技術(shù)支撐服務(wù)。同時，該項(xiàng)目的實(shí)施為學(xué)生提高實(shí)踐動手能力提供了真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維環(huán)境及原始數(shù)據(jù)。