液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊 志，林 川，唐向紅

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

在現(xiàn)實(shí)的液面監(jiān)測監(jiān)控中，某些領(lǐng)域的液面監(jiān)測工作尤為重要。例如：醫(yī)療領(lǐng)域，不當(dāng)?shù)妮斠阂好姹O(jiān)測可能造成空氣栓塞，進(jìn)而危害生命[1-2]；工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測儲存容器的液面變更情況，可能會導(dǎo)致有害液體泄露，造成嚴(yán)重的安全事故[3-4]；江河防汛領(lǐng)域，及時(shí)發(fā)布水位變化信息，便于防汛防洪工作的預(yù)防和開展[5-7]。

目前，液面監(jiān)測主要有基于差壓式液位測量、基于超聲波法測量、基于光纖液位測量、基于激光液位測量，以及基于雷達(dá)波法液位測量等監(jiān)測方法[8-13]。然而，這些測量方法需要直接接觸被測液體，或者需要通過相關(guān)射線來進(jìn)行液面監(jiān)測。這樣，在一些特殊場景(如輸液時(shí))很可能會污染被測液體，不僅缺乏安全性，而且不具備通用性。

在生產(chǎn)生活中，由于液體位置控制不當(dāng)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的液面監(jiān)測工作主要由人工完成，其數(shù)據(jù)計(jì)算及整理等工作不僅繁瑣，且存在誤差大、自動(dòng)化程度低、效率低下等弊端。顯然，能夠安全有效地對危險(xiǎn)液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是必要的。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)的深度融合，數(shù)字化、智能化、安全化的液面監(jiān)測自動(dòng)監(jiān)管平臺[3-4,6-7]已經(jīng)成為了一種必然的發(fā)展趨勢。

因此，本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)技術(shù)，采用新型電容感應(yīng)式液位測量[14]的方法，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)日常生活中具有安全性要求的相關(guān)液體液面的監(jiān)控、監(jiān)測及預(yù)警。

1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分為硬件端和軟件端兩個(gè)部分。硬件端以STM32處理器[15]作為控制中心，保障非接觸式液位傳感器模塊[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊、復(fù)位模塊等系統(tǒng)模塊的正常運(yùn)行；軟件端由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App、A9嵌入式開發(fā)實(shí)驗(yàn)箱終端App(以下簡稱“A9實(shí)驗(yàn)箱終端App”)這4個(gè)部分組成。

液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的原理是通過非接觸式耦合電容液位傳感器[14]監(jiān)測液體液面信息。監(jiān)測的液面信息實(shí)時(shí)發(fā)送給STM32處理器，當(dāng)被測液體的液面低于液位傳感器的最低檢測位置時(shí)，STM32處理器發(fā)出中斷指令，將液面信息由Wi-Fi模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器程序，用戶可以通過安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App及時(shí)接收液面報(bào)警信息并實(shí)時(shí)反饋給相關(guān)人員。液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作流程

2 硬件設(shè)計(jì)

液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的硬件端主要由STM32處理器[15]、2個(gè)非接觸式液位傳感器[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊及復(fù)位按鍵模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件端模塊

2.1 STM32處理器

本系統(tǒng)的硬件模塊的控制核心是STM32F103RCT6微控制單元[15]，開發(fā)板型號為ALIENTEK MiniSTM32 V3.0單片機(jī)處理器[15]，簡稱STM32處理器。開發(fā)板資源圖如圖3所示。

圖3 開發(fā)板的資源圖

系統(tǒng)使用的開發(fā)板的資源及其功能如下所述：

RESET按鍵：其連接復(fù)位電路，以便在必要時(shí)對STM32處理器進(jìn)行復(fù)位；

PA2和PA3：信號發(fā)送和接收串口，與Wi-Fi模塊的RXD和TXD分別連接，實(shí)現(xiàn)串口通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

PC11：連接液位傳感器1的輸出端口，接收傳感器1監(jiān)測的液體液面信息，同時(shí)將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器；

PC12：連接液位傳感器2的輸出端口，接收傳感器2監(jiān)測的液體液面信息，同時(shí)將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器；

GND：接地；

VCC：接5 V電源；

VOUT1 & VOUT2：提供3.3 V和5 V電源，為Wi-Fi模塊和液位傳感器供電；

USB_232接口：實(shí)現(xiàn)串口下載代碼、供電、串口通信3位一體的功能；

OLED & LCD共用接口：接入TFT-LCD液晶顯示屏。

在考慮系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體性能、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等要求的前提下，將STM32處理器與C51單片機(jī)詳細(xì)比較后，選擇STM32處理器作為本次設(shè)計(jì)的硬件模塊的控制中心。

2.2 非接觸式耦合電容液位傳感器

本系統(tǒng)共使用2個(gè)XKC-Y26-V非接觸式耦合電容液位傳感器[14]。在本系統(tǒng)中使用的液位傳感器的接口及其功能如下：

非接觸式耦合電容液位傳感器2：VCC接5 V電源，GND接地，M接5 V電源，設(shè)置傳感器的工作模式為高電平信號輸出；OUT接STM32處理器的PC12引腳，完成將液面監(jiān)測信息以脈沖形式發(fā)送給處理器的功能。

2.3 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊作為STM32處理器程序與云端服務(wù)器程序之間的數(shù)據(jù)傳輸芯片，其外圍接口如圖4所示。

圖4 Wi-Fi模塊的外圍接口

系統(tǒng)中使用的Wi-Fi模塊的接口及其功能如下：

GND：接地；

VCC：接3.3 V電源，對Wi-Fi模塊進(jìn)行供電；

TXD：連接STM32處理器的PA3引腳，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便數(shù)據(jù)傳輸；

RXD：連接STM32處理器的PA2引腳，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便接收數(shù)據(jù)。

“你讓我怎么說？”劉麗芳情緒瞬間變得激動(dòng)，“都是你丈夫做的好事！深更半夜去我家干嘛？偷點(diǎn)東西也就算了，為什么還要欺負(fù)我？”

2.4 液晶顯示屏模塊

本系統(tǒng)使用2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏作為硬件端的顯示界面。

2.5 復(fù)位按鍵

本系統(tǒng)使用STM32處理器的RESET按鍵，其連接單片機(jī)的復(fù)位電路，以便在必要的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行重置和復(fù)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件端主要由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App和A9實(shí)驗(yàn)箱終端App構(gòu)成。液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件端的程序框架如圖5所示。

圖5 液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件端的程序框架

3.1 STM32處理器程序

運(yùn)行于STM32處理器上的主控程序即為液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件端的控制程序。該主控程序主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸、硬件端的顯示界面、液位傳感器等多個(gè)模塊的控制及數(shù)據(jù)分析處理。

3.2 云端服務(wù)器程序

云端服務(wù)器程序的關(guān)鍵代碼包含：接收Wi-Fi模塊Socket請求的線程代碼；接收安卓手機(jī)終端App相應(yīng)端口的Socket請求的線程代碼；接收A9實(shí)驗(yàn)箱終端App相應(yīng)端口的Socket請求的線程代碼；云服務(wù)器程序接收并處理STM32處理器程序發(fā)來的液面監(jiān)測信息的線程代碼；云端服務(wù)器程序?qū)⑻幚砗蟮囊好姹O(jiān)測信息存入消息鏈表的線程代碼；云端服務(wù)器程序?qū)⒁好姹O(jiān)測信息分發(fā)給安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App的線程代碼。

3.3 終端App程序

安卓手機(jī)終端App和A9實(shí)驗(yàn)箱終端App為客戶端接收、分析和處理液體液面信息的主控程序，同時(shí)這兩個(gè)終端App還實(shí)現(xiàn)了顯示液面報(bào)警信息的功能。

4 系統(tǒng)集成與測試

4.1 系統(tǒng)軟硬件集成

系統(tǒng)硬件模塊的集成情況：STM32處理器、XKC-Y26-V液位傳感器1、XKC-Y26-V液位傳感器2、ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊、2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏、復(fù)位按鍵電路均已集成到系統(tǒng)中。

系統(tǒng)軟件程序的集成情況：STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App均已集成到系統(tǒng)中。

4.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試以液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域輸液報(bào)警方面的應(yīng)用為例展開，測試情況如下：

1)對下載好STM32處理器程序的開發(fā)板供電，處理器的電源指示燈亮并加載相關(guān)配置文件；液晶顯示屏顯示相關(guān)配置文件并正常啟動(dòng)，表示處理器及液晶顯示屏處于正常的工作狀態(tài)。

2)液位傳感器正常工作，如圖6所示。對2個(gè)非接觸式耦合電容液位傳感器供電后，液位傳感器的紅色指示燈發(fā)亮，表示液位傳感器正在監(jiān)測液體液面信息。

圖6 液位傳感器

3)液位傳感器和Wi-Fi模塊正常傳輸液體液面信息，如圖7所示。當(dāng)液體液面低于液位傳感器的最低檢測位置時(shí)，液位傳感器的紅色指示燈熄滅，處理器的紅色指示燈熄滅，顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)欄顯示“1,1”或“1,2” ，將液面監(jiān)測信息實(shí)時(shí)地發(fā)送給云端服務(wù)器程序。其中，“1,1”代表液位傳感器1的液面監(jiān)測信息，“1,2”代表液位傳感器2的液面監(jiān)測信息。

圖7 液位傳感器和Wi-Fi模塊傳輸?shù)囊后w液面信息

4)安卓手機(jī)終端App正常工作，如圖8所示。當(dāng)安卓手機(jī)終端App收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時(shí)，手機(jī)震動(dòng)且屏幕上的紅色文本顯示液位傳感器1監(jiān)測的液體液面信息，即“1號病房1號床位輸液完畢！請進(jìn)行換液！”，表示安卓手機(jī)終端App正常接收液面報(bào)警信息并顯示提示信息。

圖8 安卓手機(jī)App界面

5)A9實(shí)驗(yàn)箱終端App正常工作，與安卓手機(jī)終端App正常工作一致。當(dāng)A9實(shí)驗(yàn)箱終端App接收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時(shí)，屏幕上紅色文本顯示監(jiān)測點(diǎn)(1號病房1號床位)的液位信息，即“1號病房1號床位輸液完畢！請進(jìn)行換液！”。

5 結(jié)語

本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)液面監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了其在醫(yī)療領(lǐng)域的初步拓展應(yīng)用。該系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，運(yùn)行較為穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)(可以接入多個(gè)液位傳感器)。此外，該系統(tǒng)可以針對液體液面進(jìn)行較為準(zhǔn)確的非接觸式監(jiān)測，以及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和處理，在一定程度上解決實(shí)際生活中部分場景下具有安全性和時(shí)間性要求的液體液面監(jiān)測的問題。