基于物聯(lián)網(wǎng)的智能流量計設(shè)計

牛弘毅 宋浩楠 李浩 劉浩 杜曉鈺

(揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院,江蘇 揚州 225000)

流量測量早在古代就已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛了,尤其是在水利工程和城市供水方面發(fā)展成果顯著。傳統(tǒng)的流量設(shè)備普遍采用人工實時抄錄的方式,并且人工控制流量設(shè)備的關(guān)斷,使用范圍有限,成本高昂。針對以上問題,設(shè)計了智能流量計系統(tǒng)。本項目基于周正富等人的研究成果,將繞流式流量計的傳感測速單元作為本項目的傳感單元,通過MSP430F149 單片機將其流量數(shù)據(jù)送入M5311 模塊,實現(xiàn)手機電腦實時監(jiān)測與控制。同時依舊可以在主控制屏上對流量設(shè)備進行監(jiān)測與控制,模塊化程度高,大大降低了人工成本和設(shè)備安全性風(fēng)險。

1 整體結(jié)構(gòu)與流程

本系統(tǒng)由流量數(shù)據(jù)采集器和終端控制單元兩部分組成,流量數(shù)據(jù)采集器采用壓差式流量傳感器測量流量信息。壓差式流量傳感器的主要包括標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、引壓管路、壓差變送器三部分。通過引壓管路將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進水口和出水口兩端的壓強引到壓差變送器之中,由壓差變送器來計算出相應(yīng)的水流量數(shù)據(jù),并以4-20mA 電流信號的形式輸出。再通過I/V 信號調(diào)理模塊,將4-20mA 電流信號轉(zhuǎn)換成0-3.3V 電壓信號輸出給單片機,進行進一步的處理,工作示意圖如圖1 所示。終端控制單元采用OneNET 云平臺,通過M5311 芯片,將單片機與終端網(wǎng)絡(luò)進行物聯(lián),實現(xiàn)對流量設(shè)備的終端監(jiān)測和控制。同時,主控制器配備按鍵模塊和顯示模塊,防止終端設(shè)備發(fā)生故障時,可以實現(xiàn)工作人員實時抄錄流量數(shù)據(jù)和關(guān)閉流量設(shè)備。工作示意圖如圖2 所示。

圖1 流量數(shù)據(jù)采集器示意圖

圖2 終端控制單元示意圖

用戶在網(wǎng)頁端點擊打開設(shè)備(或者工作人員直接打開設(shè)備),主控制器將流量設(shè)備測得的流量數(shù)據(jù)傳入服務(wù)器,當(dāng)服務(wù)器接受到的數(shù)據(jù)值大于設(shè)定閾值,服務(wù)器發(fā)出警報顯示,并下發(fā)命令關(guān)閉流量設(shè)備。

2 項目總體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計流程,其設(shè)計的總框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計框圖

控制器采用MSP430F149 單片機MSP430F149,其內(nèi)部集成了60KB Flash 代碼存儲器、2KB RAM、兩個16 位計時器、48 個I/O 引腳、兩個異步串行通信接口,12 位A/D 轉(zhuǎn)換器等。擁有超低功耗,掉電保護等許多優(yōu)異的性能。

顯示模塊既要滿足顯示流量,又要滿足顯示模塊使用過程中的各種反饋信息,綜合各種因素,選擇LCD12864 液晶顯示模塊,它有以下幾個明顯的特點：首先是成本不高,而且顯示范圍相對比較大,滿足設(shè)計要求；其次就是它可以結(jié)合帶有的字庫,可以直接顯示漢字,這樣在使用時無需編碼即可顯示漢字,大大提高了使用的方便性。

電流轉(zhuǎn)電壓模塊采用XY-ITOV 電流轉(zhuǎn)電壓模塊,其擁有溫度漂移小、線性度好、穩(wěn)定性高,精確度高等優(yōu)點。

終端監(jiān)測模塊采用OneNET 云平臺搭載M5311 芯片。OneNET 云平臺是一個中國移動公司開發(fā)的開放性物聯(lián)網(wǎng)平臺,其廣泛用于創(chuàng)建高效、穩(wěn)定和安全的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。面向設(shè)備,OneNET 云平臺適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見傳輸協(xié)議,提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)。M5311 芯片是中移動公司目前推出的NB-loT 新款模塊,其模塊在指令上有UDP、TCP、LWM2M、MQTT 協(xié)議上的支持,接入OneNET 云平臺穩(wěn)定可靠,簡單方便。

2.2 數(shù)據(jù)終端監(jiān)測的功能實現(xiàn)

2.2.1 AT 指令

本系統(tǒng)的終端服務(wù)我們采用AT 指令實現(xiàn)。通過串口調(diào)試模塊發(fā)送AT 指令來控制移動臺(MS)的功能,與GSM 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行交互。主控制器端將AT 指令發(fā)送給運營商,根據(jù)實際情況返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

AT+CSQ 作用是查詢信號,如果注冊網(wǎng)絡(luò)成功會有信號產(chǎn)生,最大31,如果信號小于10,說明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)不佳。

AT+CGATT?是查詢注冊網(wǎng)絡(luò)情況,如果注冊成功,會返回1,如果失敗,返回0。

AT+MIPLCREATE 作用是模組側(cè)設(shè)備創(chuàng)建。

AT+MIPLADDOBJ 指令作用是訂閱Object 組配置。AT+MIPLADDOBJ=0,3200,1,"1",0,1,在本步驟中,添加了訂閱Object 組配置。在登錄平臺時,訂閱的Object 信息將會上傳到OneNET 平臺,注冊鑒權(quán)通過后,平臺會對所有被訂閱的Object下發(fā)OBSERVE 消息。

AT+MIPLDISCOVERRSP 指令作用是訂閱Resource 參數(shù)配置。訂閱后的Resource 資源,在登錄成功后,將在OneNET 平臺的資源管理頁面中呈現(xiàn)。

AT+MIPLOPEN=0,3000,30 作用是模組側(cè)發(fā)起登錄請求。上述指令中,3000 代表本次注冊成功后的存活時間(單位為秒),30 代表登錄超時時間(單位為秒)。在該時間內(nèi)如果模組還未接收到平臺響應(yīng),模組會上報登錄失敗的通知。

2.2.2 設(shè)備連接

本系統(tǒng)創(chuàng)建的產(chǎn)品均基于LwM2M協(xié)議。當(dāng)M5311 芯片開機并順利連接到云平臺后,使用云平臺提供的SDK 中的接入設(shè)備的LwM2M連接報文,并與平臺上的對應(yīng)產(chǎn)品的對應(yīng)設(shè)備連接。

若連接成功,則可以再OneNET 云平臺上看到設(shè)備在線的顯示圖,圖4。

3 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖4“在線”顯示圖

在流量計數(shù)據(jù)測量中,單片機將流量計中的數(shù)據(jù)一方面上傳給顯示模塊,進行智能數(shù)顯；另一方面將流量數(shù)據(jù)通過單片機傳送到M5311 模塊上,同時上傳到OneNET 云平臺。在云平臺上可以實時地觀測到數(shù)據(jù)的變化,進行監(jiān)測與控制。

通過在云平臺上時間段的選擇,可以調(diào)出相應(yīng)時間的流量數(shù)據(jù),方便工作人員分析數(shù)據(jù),減小因為流量計故障而產(chǎn)生的系統(tǒng)安全問題,圖5。

圖5 顯示裝置顯示圖

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)測試,基于物聯(lián)網(wǎng)的智能流量計系統(tǒng)可以穩(wěn)定、快捷、高效、精確、實時地顯示流量數(shù)據(jù),并且OneNET 終端設(shè)備可視化強,方便對流量數(shù)據(jù)的有效管理與監(jiān)測。通過較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),有效節(jié)省了人力物力,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)計量的一次實踐。