基于嵌入式的恒壓供水設(shè)備遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳文鳳，歐幸福

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

恒壓供水廣泛應(yīng)用于農(nóng)村灌溉、消防用水、城市供水調(diào)水、防洪抗?jié)澈凸I(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。當(dāng)前恒壓供水設(shè)備主要依賴于專人監(jiān)管和控制，存在信息化水平較低、管理效率低、人工勞動強(qiáng)度大和管理成本巨大等問題，特別是中小型恒壓供水設(shè)備群，站址分散、距離較遠(yuǎn)、地處偏僻、自然環(huán)境惡劣，很難實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理，已不適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的要求[1]。目前，國內(nèi)外有關(guān)大中型泵站的狀態(tài)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)基本成熟，形成了完備的數(shù)據(jù)采集、傳輸和智能監(jiān)控方案，但是基于嵌入式技術(shù)對恒壓供水設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)管的成熟研究不多[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的研究和應(yīng)用，為恒壓供水設(shè)備的智能遠(yuǎn)程監(jiān)管提供了借鑒作用。本文基于STM32嵌入式技術(shù)和GSM無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了恒壓供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對恒壓供水設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、供水設(shè)備智能控制與人機(jī)交互等功能，具有極高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

恒壓供水遠(yuǎn)程控制器通過軟件、硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)供水設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)行控制和智能管理的一體化[3]。主要功能如下：

1）運(yùn)行參數(shù)功能。①對儲水罐水位、泵站設(shè)備、輔助設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和檢測，包括電機(jī)電壓、電流、頻率等電量參數(shù)，以及水閥通關(guān)狀態(tài)、流量、水位高度、真空度和水壓力等非電量參數(shù)。②具備人機(jī)交互功能，用戶可通過遠(yuǎn)程瀏覽器、現(xiàn)場顯示器展示各類狀態(tài)參數(shù)，也可利用鍵盤、人機(jī)界面操作和設(shè)置各種參數(shù)。

2）設(shè)備操作功能。根據(jù)設(shè)計(jì)的設(shè)備控制算法和預(yù)設(shè)的運(yùn)行參數(shù)對水泵、備用泵、變頻器和輔助電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場自動控制和現(xiàn)場手動控制三種功能，包括泵組的啟動停止、泵組切換運(yùn)行、水壓設(shè)置、流量調(diào)節(jié)和頻率設(shè)置等。

3）預(yù)警報(bào)警功能。由于供水設(shè)備安全性能、可靠性要求高，在設(shè)備發(fā)生故障或異常時，控制器通過現(xiàn)場聲光形式報(bào)警，同時通過遠(yuǎn)程控制端、短信等形式向管理人員實(shí)時發(fā)送報(bào)警信號。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

恒壓供水設(shè)備遠(yuǎn)程控制器分為現(xiàn)場控制器、服務(wù)器和用戶終端三個部分[4]?，F(xiàn)場控制器負(fù)責(zé)控制泵站機(jī)組運(yùn)行、監(jiān)控水壓、流量、攝像頭和水箱等各類傳感器的參數(shù)，通過通訊接口、TCP/IP協(xié)議與應(yīng)用服務(wù)器傳輸現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)器上運(yùn)行與現(xiàn)場泵站控制器通信的數(shù)據(jù)采集程序、與用戶終端通信的Web程序、監(jiān)視程序和數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理和存儲，以及分發(fā)來自用戶終端的命令和響應(yīng)用戶請求命令。用戶可使用如手機(jī)、平板或個人電腦等智能終端訪問遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器，查看設(shè)備數(shù)據(jù)、發(fā)送設(shè)備控制命令等。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框圖

1.3 現(xiàn)場控制器整體設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制器以嵌入式微控制器STM32為核心，負(fù)責(zé)對各類閥門、傳感器、供電等現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，對電機(jī)、變頻器及其配套閥門進(jìn)行控制?，F(xiàn)場控制器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各功能模塊由嵌入式微控制器進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)每個模塊檢測和控制功能的并行管理。功能模塊之間通過串口通信協(xié)議進(jìn)行通信，具有單獨(dú)的通信地址?，F(xiàn)場控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制器系統(tǒng)框圖

2 現(xiàn)場控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制器是采用ARM公司的STM32系列微控制器作為主控制器，該控制器具備性能先進(jìn)、價格低廉、功率較低等優(yōu)點(diǎn)。其外圍電路主要包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路等。STM32微控制器外圍電路如圖3所示。

圖3 STM32微控制器外圍電路

2.2 串口電路設(shè)計(jì)

考慮到供水設(shè)備的工作環(huán)境、通信穩(wěn)定性和通信距離等情況，在現(xiàn)場控制器中，串口通信主要與其他功能模塊進(jìn)行通信，傳輸傳感器、設(shè)備等狀態(tài)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制命令的傳輸。串口電路采用MAX485專用隔離收發(fā)器模塊，具備RS485通信芯片、干擾隔離、電氣隔離和總線保護(hù)等多功能，體積小、集成度高。 由嵌入式微控制器的I/O引腳直接控制MAX485芯片的發(fā)送器／接收器使能引腳2。高電平時，MAX485芯片數(shù)據(jù)接收有效，微控制器可以接收來自串口總線的數(shù)據(jù)字節(jié)：低電平時，MAX485芯片數(shù)據(jù)發(fā)送有效，微控制器可以向串口總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。RS485串口電路如圖4所示。

圖4 RS485串口電路

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信接口

現(xiàn)場控制器通過以太網(wǎng)接口、采用TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收用戶命令，上次設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。采用基于Microchip的ENC28J60芯片設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)模塊，ENC28J60集成了MAC控制器和PHY收發(fā)器，可以很方便的通過SPI在微控制器上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)擴(kuò)展，穩(wěn)定性高。以太網(wǎng)通信接口電路如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)通信接口電路

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制器電路由一個24V直流穩(wěn)壓電源供電，可提供最大為2.0A的直流電流，主要為電氣開關(guān)、蜂鳴器、指示燈和其他水泵設(shè)備供電。另外，5V直流電源可為微控制器及其外圍電路提供電源。直流電源電路如圖6所示。

圖6 直流電源電路

2.5 GSM無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

GSM模塊主要是用來建立無線信道，接收和發(fā)出短消息，單片機(jī)系統(tǒng)用來控制GSM模塊，并且對收到的短消息信息進(jìn)行解析并執(zhí)行。本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊采用Siemens公司的TC35通信模塊，該模塊包括GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、存儲器、電源模塊（ASIC）、ZIF連接器和天線接口等六個部分。該模塊具有40個功能引腳，可分為電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制等五類。GSM模塊電路如圖7所示。

圖7 GSM模塊電路

3 軟件實(shí)現(xiàn)過程

圖8 主程序流程圖

現(xiàn)場控制器主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)流程如下：1）采集儲水罐水位、出水管水壓等情況，判斷是否需要啟停水泵。2）若啟停水泵，則通過RS485串口向DO模塊發(fā)送數(shù)字量輸出，對水泵機(jī)組、電機(jī)與閥門進(jìn)行開關(guān)控制。3）不斷輪詢供電電壓/電流，AI模塊的出水口壓力、DI模塊的出水流量等設(shè)備、傳感器數(shù)據(jù)，并分析判斷，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則停止水泵和外圍設(shè)備。4）最后檢查用戶按鍵輸入、通過以太網(wǎng)接口向服務(wù)器上傳設(shè)備數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場液晶顯示器上顯示設(shè)備參數(shù)等。主程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于STM32嵌入式微控制器的恒壓供水設(shè)備遠(yuǎn)程控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，接口多樣，功能獨(dú)立，性能穩(wěn)定可靠，充分利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水泵設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳、異常報(bào)警和遠(yuǎn)程操作等功能，可廣泛應(yīng)用到偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)業(yè)灌溉、小區(qū)供水等恒壓供水設(shè)備的現(xiàn)地、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)水泵設(shè)備的“無人值班”管控目標(biāo)，提高設(shè)備管理的信息化水平，具有較好的市場推廣和應(yīng)用價值。