基于水環(huán)境監(jiān)測運行設計與應用

王德法 凡立超 吳虹 沈紅峰

摘? 要：文章從硬件設計方面來介紹如何實現(xiàn)基于STM32 VE芯片進行的水環(huán)境運行監(jiān)測設計與應用，給出了水環(huán)境監(jiān)控處理系統(tǒng)的硬件設計方案。

關鍵詞：硬件設計;低功耗;水位監(jiān)測;微控制;電力數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：U458.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0080-03

Abstract： From the aspect of hardware design， this paper introduces how to realize the design and application of water environment operation monitoring based on STM32 VE chip， and provides the hardware design scheme of water environment monitoring and processing system.

Keywords： hardware design; low power consumption; water level monitoring; micro control; power data acquisition

1 概述

根據(jù)電力具有大量無人值守電力隧道用戶的遠程綜合監(jiān)控需求，展開深入調(diào)研，憑借不斷創(chuàng)新的理念以及豐富的監(jiān)控業(yè)務整合經(jīng)驗，通過加強計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和信息技術(shù)的應用，實現(xiàn)用戶對前端無人或少人值守系統(tǒng)的綜合監(jiān)控、集中管理，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡對前端的環(huán)境、周界防范等進行有效的監(jiān)控和管理，大幅度提高了對前端監(jiān)控的實時性、有效性，降低了人員及管理成本。因此根據(jù)市場需求和公司發(fā)展需要，決定推行電纜隧道水環(huán)境的研制計劃，提高公司電纜隧道水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)開發(fā)能力，推動該產(chǎn)品的大力發(fā)展。

2 水環(huán)境監(jiān)測運行設計與應用基礎與依據(jù)

水環(huán)境自動控制系統(tǒng)就是將水位信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能處理識別的模擬量信號，MCU對這個模擬量信號進行處理分析并與設定閾值進行綜合對比，根據(jù)分析結(jié)果去控制交流接觸器，交流接觸器再控制一個水泵，并通過反饋原理實施監(jiān)控水位積水情況達到水位自動控制的目的。水泵有各種各樣的工作方式，所以交流接觸器也有多種設計方案，這些電氣元件按照設計方案連接起來就是電氣控制箱?，F(xiàn)有多種成熟的設計方案，如GKY1X單臺泵系統(tǒng)、GKY2X雙臺泵系統(tǒng)等等，在網(wǎng)上可以查到各種各樣的設計原理圖。水泵電氣控制箱是很常用的控制設備，工作可靠、使用壽命長。影響水位自動控制系統(tǒng)可靠性和使用壽命的關鍵因素是液位傳感器，就是將水位信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號這一部分?，F(xiàn)在主要有電極式、UQK/GSK干簧管式、光電式、壓力式、GKY和超聲波式等幾種方式。這些方式檢測原理不同，因而水位自動控制的原理也不同。我們采用投入式CYW11水位計來做水位監(jiān)測傳感器并采用STM32 VE芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片并通過4G通訊裝置將相關水位信息傳輸至相關工作人員。

3 工作模式

3.1 微處理器選擇

微處理器采用意法公司的STM32FVET6芯片該系列單片機在保持最佳超低功耗特性的同時，還提供了更優(yōu)越的性能（最高頻率可達72 MHz）、更大容量的內(nèi)置存儲器（高達512 MB Flash存儲器和256 KB SRAM）、此芯片具有較好的低功耗性能，保證功耗性能的同時又具有多種外部接口支持多路ttl、spi、usb等。提供整個系統(tǒng)的功能擴展性。

3.2 低功耗模式

低功耗運行共有睡眠模式、低功耗睡眠模式、待機模式、關斷模式等多種模式。

3.2.1 睡眠模式（sleep）

CPU停止工作，所有外設（peripheral）仍可以工作，使用中斷（interrupt）或者事件（event）進行CPU喚醒。

3.2.2 低功耗睡眠模式（Low-power sleep）

只有CPU時鐘被停止，當中斷（interrupt）或者事件（event）喚醒CPU之后進入低功耗運行模式（Low-powerrun）。

3.2.3 待機模式（Standby）

待機模式下將會使用BOR（brown-outreset）獲取一個最低的功耗。內(nèi)核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運行狀態(tài)。進入待機模式后SRAM1和集訓期內(nèi)容將會丟失，SRAM2的內(nèi)容將保留。設備退出待機模式可以利用外部復位（NRST pin）、獨立看門狗（IWDG）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時鐘切換到8MHz的MSI。

3.2.4 關斷模式（Shutdown）

關斷模式下會獲取一個最低的功耗，內(nèi)核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運行狀態(tài)。BOR（brown-out reset）不能使用。SRAM1、SRAM2和寄存器除了備份都會丟失。設備退出關斷模式可以利用外部復位（NRST pin）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時鐘切換到4MHz的MSI，喚醒時間只要5μs。

3.3 應用實例-基于水環(huán)境監(jiān)測的新型電力設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.3.1 本系統(tǒng)主要由模擬量與開關量采集模塊、通訊模塊以及上位機人機交互模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先水位信號電壓、電流等模擬信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由主芯片進行數(shù)據(jù)處理;開關量信號則通過I/O口輸入，主芯片通過中斷或查詢方式進行讀取。電力數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理后，由通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送通知至相關工作人員。

基于STM32芯片的新型電力設備運行數(shù)據(jù)采集裝置充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，利用STM32具有快速采樣的高性能ADC、先進的電源及時鐘管理、雙看門狗等功能，從而大大增強了系統(tǒng)的實時性與可靠性，精度顯著提高，同時功耗大為降低。

3.3.2 系統(tǒng)的硬件設計。本系統(tǒng)采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)Χ嗦沸盘栠M行模擬量數(shù)據(jù)同步采樣并且具有多個USART串行通信接口，內(nèi)置分數(shù)波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，最高達4.5Mbit/s，數(shù)據(jù)字的長度、停止位均可設置。此外，靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC能夠通過同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便外部功能。

（1）模擬量采集部分采用高速處理外部電路配合主芯片同步采集處理12位ADC為逐次逼近型模數(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)果以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時間可編程，總轉(zhuǎn)化時間可縮減到1μs，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸，ADC處理部分如圖3。

（2）系統(tǒng)設置相關I/O口為開關量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個外部中斷線上。開關量輸入電路如圖4所示。開關量信號由IN端口輸入，電容C與電阻R構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號的毛刺，采用光耦合器TLP521實現(xiàn)現(xiàn)場開關量與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。如圖4。

（3）從低功耗設計理論依據(jù)的分析可以得出，電源電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大， 而系統(tǒng)在高、低功耗狀態(tài)下使用不同的電源， 故系統(tǒng)中電源模塊的設計非常重要。因此電源系統(tǒng)采用了低功耗電源轉(zhuǎn)換芯片，對整體電路進行供電，此外穩(wěn)定的電源、低紋波也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定低功耗運行的關鍵之一。并且電源部還設計有后備電源保障設備在異常情況的掉電時的應急處理，如圖5。

3.4 產(chǎn)品功能特點

3.4.1 報警閾值可配置化?？刂破饔袃陕?-20ma或0-5v的標準模擬信號輸入通道，與現(xiàn)在水位傳感器連接，用于監(jiān)測環(huán)境積水情況，所報警的閾值量程可結(jié)合現(xiàn)場實際情況通過上位機進行軟件配置，增強可變性。

3.4.2 傳感器量程可選1m、5m等多種量程，并支持IP68保護等級，精敏度達1cm。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了水位監(jiān)測、無線通訊低功耗技術(shù)，系統(tǒng)反應時間<1ms，能夠快速準確監(jiān)測水位情況。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡對前端的環(huán)境、周界防范等進行有效的監(jiān)控和管理，大幅度提高了對前端監(jiān)控的實時性、有效性，降低了人員及管理成本。相信通過不斷完善和發(fā)展， 該系統(tǒng)能夠更好地適應今后的發(fā)展， 在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮更大作用。

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