基于物聯(lián)網(wǎng)的ARM嵌入式水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

伯冰洋

（中央民族大學(xué) 理學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

受全球氣候變化的影響，我國極端降水事件的強度和頻率不斷增加，大雨和暴雨量呈現(xiàn)顯著上升趨勢。2021年，鄭州特大暴雨洪澇災(zāi)害造成了巨大的人員和財產(chǎn)損失，這些極端事件給社會生產(chǎn)和人民生活帶來了嚴重影響，受到全社會的廣泛關(guān)注。如何及時預(yù)測洪澇災(zāi)害，使得群眾能夠提前規(guī)避危險，成了亟待解決的問題。

洪澇災(zāi)害預(yù)防過程中需要解決的典型問題有：防御堤防潰缺、道路積水、低洼受澇、房屋倒塌、地下空間進水。首先需要對水量、水位進行實時監(jiān)測；其次要結(jié)合對城市排水系統(tǒng)的分析，綜合調(diào)度和管控道路交通；同時相關(guān)部門應(yīng)基于降雨信息、管網(wǎng)系統(tǒng)運行情況提前做出響應(yīng)。在此過程中最重要的是搭建水位監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確地掌握水情才能把握受災(zāi)地區(qū)的安全情況，讓人員和物資得到更合理的調(diào)配，提高對極端降水天氣的應(yīng)對能力。

目前，對水情的監(jiān)測和相關(guān)預(yù)警有多種方法，以衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)為例，它具有覆蓋面積廣、周期短且時效強的優(yōu)點，主要運用模型和遙感等技術(shù)進行分析，但會受到復(fù)雜天氣條件和時效性的影響?，F(xiàn)有的防汛監(jiān)測是通過檢測終端、水位計、工業(yè)相機組合以及云臺麥克風(fēng)等設(shè)備實現(xiàn)的，以圖像資源分析水情，存在設(shè)備昂貴、架設(shè)條件高等問題；同時相關(guān)洪澇模型研究、調(diào)用降雨情景庫、運用仿真輔助等預(yù)警技術(shù)，存在著地形多變、模型數(shù)據(jù)不足的問題。而本文搭建的水位監(jiān)測系統(tǒng)擁有著多時空、多地點以及實現(xiàn)水位實時檢測和預(yù)警的應(yīng)用特點。

嵌入式系統(tǒng)是當前的熱門概念之一，無論是在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、安防，還是手持設(shè)備領(lǐng)域，都有著非常廣泛的應(yīng)用。本文開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的ARM嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計了一個低成本的水位監(jiān)測和預(yù)警裝置，用以準確掌握復(fù)雜城市管網(wǎng)遭遇暴雨時各點的水情。此系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，通過WiFi無線模塊實現(xiàn)無線通信功能；結(jié)合硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、服務(wù)器和客戶端，實現(xiàn)水位計監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)通信、水位遠程監(jiān)控和預(yù)警等功能。此系統(tǒng)具有簡潔、易操作的特點；同時ARM本身在性能、功耗、代碼密度、價格等諸多方面都具有優(yōu)勢。

1 應(yīng)用需求分析

本文搭建的基于物聯(lián)網(wǎng)的ARM嵌入式水位監(jiān)測系統(tǒng)，具有低成本、高可靠性、易于改進的優(yōu)點，能夠做到實時監(jiān)測、自動處理數(shù)據(jù)、自動預(yù)警。一方面，該系統(tǒng)能夠準確地檢測各點水情并設(shè)定自動預(yù)警，并且得益于嵌入式的優(yōu)點，水位監(jiān)測點的擴展更為方便簡潔；另一方面，水位的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以用于其他的如模型構(gòu)建等應(yīng)用。另外，基于物聯(lián)網(wǎng)和ARM的嵌入式系統(tǒng)有助于各種水位監(jiān)測和處理系統(tǒng)間的互聯(lián)和升級。

綜上分析，系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾項功能：根據(jù)水位信息的變化判定降水強度；根據(jù)排水系統(tǒng)的水位信息和降水信息處理分析，判斷是否預(yù)警；根據(jù)單點水位信息，判斷區(qū)域安全情況；提供實時數(shù)據(jù)變化情況，輔助防洪對策的制定。以上需求主要由通信模塊和采集控制模塊結(jié)合實現(xiàn)，具體情況如下：

（1）處理中心：包含STM32F103ZET6芯片和WiFi模塊。

（2）標準數(shù)據(jù)庫：包含多點水位的允許值。

（3）實時數(shù)據(jù)庫：包含當前多個水位的實際數(shù)據(jù)。

（4）水位：第處水位由第個液位傳感器檢測。

（5）用戶數(shù)據(jù)端：采用一個數(shù)據(jù)庫進行實時數(shù)據(jù)儲存和管理。

（6）屏幕：展示某一反應(yīng)水池用水信息的數(shù)據(jù)和可視化監(jiān)視工作進度。

為使硬件電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理功能，本文設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸單元、控制單元、電源模塊、設(shè)備調(diào)試模塊這四個單元。本文通過WiFi透傳模塊實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸；通過FLASH和EPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程中的閃存、讀寫和擦除；通過ISP（Image Signal Processor）下載拷入的代碼和WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，使得STM32按其代碼流程對數(shù)據(jù)包進行處理、分析和執(zhí)行；通過BOOT的設(shè)置來控制整個嵌入式硬件芯片的啟動；通過設(shè)置復(fù)位模塊應(yīng)對實際生產(chǎn)和仿真中可能出現(xiàn)的問題，用以對整個硬件部分進行重啟；通過電源電路USB 5V供電構(gòu)成電源模塊；在源代碼通過數(shù)據(jù)傳輸模塊進入控制模塊后，需要先進行仿真測試，通過設(shè)置串口模塊對數(shù)據(jù)進行在線調(diào)試，并判斷其是否可以正常運行。

2 模塊框架與功能實現(xiàn)

2.1 主控模塊

主控模塊主要是由STM32F103ZET6和ARM處理器構(gòu) 成，還 包 含IS、USB、GPIO、UART、JTAG、Timer、ADC/DAC、FLASH、SDRAM。外接5 V電源、WiFi模塊、復(fù)位電路、輸入和輸出電路。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主控模塊框架

2.1.1 芯片的選型

主控模塊選用的芯片是基于ARM Cortex-M3處理器的集成主流型32位微控制器STM32F103ZET6芯片，優(yōu)點是靈活、支持擴展的MCU，支持與其他外部電路連接，易于實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；另外三種供電方案對應(yīng)的三種模式使其具有低功耗的特點。

2.1.2 電源電路

對于整個硬件系統(tǒng)，由于芯片內(nèi)部供電電壓不同，外接電路也需要滿足各自的電壓要求，所以本文需要設(shè)計一個使不同模塊傳遞信號的電源電路。將5 V直流電壓經(jīng)過濾波電路，通過LM7805三段線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出電壓。LM7805的VCC和OUT端口外界電路均為濾波電路。濾波電容一般取值為0.1～10 μF，其取值與電路中負載電流以及雜波頻率有關(guān)。

2.1.3 啟動電路

啟動過程中，如果STM32中代碼已被拷入程序，則重啟芯片，BOOT引腳值在上升沿被封存。用戶可以通過BOOT引腳狀態(tài)來選擇啟動模式。對應(yīng)到STM32中有三種啟動方式，見表1所列。其中，ISP模塊下載數(shù)據(jù)就是將其燒錄到系統(tǒng)存儲器這個模塊。系統(tǒng)存儲器是STM32出廠時被預(yù)置的一段BootLoader，不可更改；用戶閃存存儲器是STM32的內(nèi)置存儲器，JTAG模塊下載時就是將數(shù)據(jù)拷入這個存儲器；SRAM啟動的是內(nèi)置SRAM，不具備程序存儲能力，一般用于程序調(diào)試。

表1 啟動模式

2.1.4 復(fù)位電路

復(fù)位模塊功能分為上電自復(fù)位功能和上電按鈕復(fù)位功能，用于將電路當前狀態(tài)恢復(fù)至原始狀態(tài)。它決定電路系統(tǒng)是否能正常工作。

2.1.5 JTAG接口調(diào)試

JTAG接口主要用于實現(xiàn)芯片測試、調(diào)試、配置、下載等功能。本文通過JTAG接口對各個寄存器的變化和程序運行情況進行在線調(diào)試。

2.2 WiFi傳輸模塊

WiFi傳輸模塊具有成本低廉、傳輸速率快、覆蓋范圍廣、傳輸容量大、技術(shù)成熟、布設(shè)方便等優(yōu)點，還具有低功耗的優(yōu)良性能。

本文運用WiFi通信協(xié)議，實現(xiàn)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。采用的ESP8266串口通信模塊，其高度集成，所占空間資源和能耗均較低，只須通過編程串口就可以實現(xiàn)WiFi透傳，具有UART、GPIO、IC、IS接口，可以與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。

正常工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集端采集由各個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)由對應(yīng)的WiFi節(jié)點傳入通信服務(wù)終端匯總，最后在PC上呈現(xiàn)具體數(shù)據(jù)并對其進行分析。具體工作流程如圖2所示。

圖2 傳輸模塊工作流程

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

選取HDL300型液位變送器用于產(chǎn)生水位數(shù)據(jù)，其裝置如圖3所示。基于所測液位靜壓與液體高度成正比的特性，將壓力轉(zhuǎn)化為電信號，即轉(zhuǎn)化為標準的電流、電壓的輸出以及RS 485信號的輸出，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 HDL300型液位變送器

系統(tǒng)基于HDL300型液位變送器，利用擴散硅壓阻效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號；經(jīng)過溫度補償和線性校準，將其轉(zhuǎn)化為標準電流輸出，接入主控模塊。以0～1 m液體深度、4～20 mA電流輸出為例，HDL300水深與輸出電流的關(guān)系如圖4所示。

圖4 HDL300水深與輸出電流的關(guān)系

數(shù)據(jù)的處理上傳基于WiFi模塊和STM32F103ZET6芯片。數(shù)據(jù)采集工作需要在系統(tǒng)上電的情況下完成，等待WiFi模塊初始化并成功與上級節(jié)點建立通信，再開始數(shù)據(jù)模塊的正常運行。通過獲取來自通信模塊的指令，采集數(shù)據(jù)并上傳，同時保持通信實時更新指令。其正常工作流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)模塊工作流程

3 實驗驗證

3.1 實驗設(shè)計

在某河流設(shè)置了四個液位采集點，連續(xù)采集1 h的數(shù)據(jù)，同步呈現(xiàn)在監(jiān)測界面上，驗證多點采集協(xié)同監(jiān)測的可行性。

3.2 實驗現(xiàn)象和結(jié)論

無線液位監(jiān)測界面示意圖如圖6所示。通過實驗可得到以下結(jié)論：

圖6 無線液位監(jiān)測界面

（1）節(jié)點對應(yīng)區(qū)域信息：系統(tǒng)能夠以地圖坐標形式顯示節(jié)點的具體位置。

（2）節(jié)點水量信息：監(jiān)測界面能夠直觀簡潔地展示當前各監(jiān)測節(jié)點的液位信息。

（3）水位動態(tài)信息：監(jiān)測界面能夠直觀展示各節(jié)點的水位變化趨勢。

（4）水位預(yù)警信息：系統(tǒng)能夠根據(jù)所設(shè)定預(yù)警水位線實時判定水位風(fēng)險。

（5）水情對比情況：系統(tǒng)能夠按照周、月、季度對比同期節(jié)點水位，提高預(yù)警能力。

4 結(jié) 語

隨著我國極端降水事件的增加，復(fù)雜地形環(huán)境中時常會有多點水位難以實時監(jiān)測的問題，從而引發(fā)經(jīng)濟損失，且威脅人身安全。本文依托ARM嵌入式設(shè)計，構(gòu)建了水位監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，附帶WiFi無線模塊實現(xiàn)無線通信功能；結(jié)合硬件、數(shù)據(jù)通信、服務(wù)器和客戶端完成了水位計本體和物聯(lián)網(wǎng)通信、水位遠程監(jiān)控預(yù)警等功能。通過對多點水位的實時監(jiān)測和呈現(xiàn)，能夠準確、有效、實時地提供相應(yīng)地點的水位預(yù)警服務(wù)；同時，在緊急情況下能夠幫助管理者制定洪澇應(yīng)急對策，對洪澇災(zāi)害進行輔助預(yù)測，為救災(zāi)資源的調(diào)配提供決策支持。