基于STM32 多無(wú)線(xiàn)通信結(jié)合的水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬和平，王政

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古包頭，014000）

0 引言

鄉(xiāng)村供水工程一直都是解決“三農(nóng)”問(wèn)題的關(guān)鍵，隨著全面脫貧的結(jié)束鄉(xiāng)村振興的開(kāi)啟，鄉(xiāng)村供水如何向智能化方向發(fā)展，則成為鞏固脫貧邁向振興的重要環(huán)節(jié)。而通信則是智能化中必不可少的組成。由于鄉(xiāng)村供水的水源所處地理位置有的較為偏僻，移動(dòng)基站信號(hào)無(wú)法覆蓋，導(dǎo)致目前4G 或未來(lái)5G 通信在水廠(chǎng)遠(yuǎn)程遙控汲水中直接使用受到限制。

1 鄉(xiāng)村供水概況

根據(jù)村鎮(zhèn)所處地理位置，供水方式可采用單村獨(dú)立供水、聯(lián)村集中供水和城市管網(wǎng)延伸供水。內(nèi)蒙古西部某鄉(xiāng)村供水工程依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-85）和《農(nóng)村生活飲用水量衛(wèi)生要求》（GB11730-89）選擇水源，由于該地區(qū)水資源缺乏，符合飲水標(biāo)準(zhǔn)的水源分布不均，多以就地打井，單村獨(dú)立供水或聯(lián)村集中供水為主。多數(shù)水源井處于移動(dòng)基站信號(hào)無(wú)法覆蓋或信號(hào)較差區(qū)域，影響了鄉(xiāng)村供水從自動(dòng)化向智能化邁進(jìn)，也成為實(shí)施規(guī)模化供水工程建設(shè)，改善農(nóng)民飲用水質(zhì)量，完善農(nóng)村水價(jià)水費(fèi)機(jī)制和工程長(zhǎng)效運(yùn)營(yíng)機(jī)制[1]，以及實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域水資源管理的障礙。

目前水源井遠(yuǎn)程控制技術(shù)主要分為三部分，一是水源井終端設(shè)備，包括可編程控制器、分布式I/O、嵌入式系統(tǒng)控制器等終端控制及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要完成開(kāi)關(guān)量、模擬量的輸入與輸出功能，同時(shí)終端設(shè)備需要具備至少一種通信接口。二是遠(yuǎn)程通信技術(shù)，包括有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信，有線(xiàn)通信根據(jù)通信距離可以選擇不同通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，主要有雙絞線(xiàn)纜通信、以太網(wǎng)網(wǎng)線(xiàn)通信和光纖通信；目前主流無(wú)線(xiàn)通信有NB-IoT、LoRa、WiFi、ZigBee、Bluetooth 等。三是上位機(jī)監(jiān)控與管理系統(tǒng)，隨大數(shù)據(jù)及云計(jì)算的發(fā)展高級(jí)語(yǔ)言正在發(fā)生著更迭變化，目前主要采用C#、C++、Python、Java編程語(yǔ)言與SQL Server、MySQL、Oracle、Access 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

2 水源井遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水源井是供水的源頭，水源井的主要設(shè)備為水泵，因此水源井遙控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的啟、停，過(guò)載故障判斷，三相電壓和電流的測(cè)量，出水壓力和流量監(jiān)測(cè)。遙控系統(tǒng)的控制命令需要從水廠(chǎng)控制中心上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)出，再將采集到的測(cè)量參數(shù)回傳上位機(jī)系統(tǒng)顯示和存儲(chǔ)。

■2.1 水源井遙控終端硬件設(shè)計(jì)

水源井遙控系統(tǒng)終端使用STM32 控制器為核心而設(shè)計(jì)，依據(jù)上述控制要求系統(tǒng)由電源、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、RS485 通信和LoRa 模組六部分組成，水源井遙控系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 水源井遙控終端系統(tǒng)框圖

在水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了保證模擬采集及串行通信的抗干擾性采用接地處理，數(shù)字開(kāi)關(guān)量采用光電隔離處理，保證強(qiáng)弱電壓間的隔離。模擬量信號(hào)以4 ～20mA 電流信號(hào)和0~10V 電壓信號(hào)為主，為適用不同模擬量信號(hào)采集，需要通過(guò)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4 ～20mA 電流信號(hào)和0~10V 電壓信號(hào)的自由選擇。設(shè)計(jì)方法其一在PCB 板上設(shè)置轉(zhuǎn)換跳線(xiàn)，通過(guò)跳線(xiàn)實(shí)現(xiàn)同一AD 通道上電流與電壓信號(hào)復(fù)用，設(shè)計(jì)方法其二采用多路AD 通道，分別規(guī)劃模擬里電流輸入端和電壓輸入端，同一AD 通道上電流信號(hào)和電壓信號(hào)不可復(fù)用。具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 水源井遙控終端硬件設(shè)計(jì)圖

■2.2 水源井無(wú)線(xiàn)中繼硬件設(shè)計(jì)

水源井遙控系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的技術(shù)是把LoRa 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法是在移動(dòng)基站信號(hào)無(wú)法覆蓋到控制區(qū)域的一種解決方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中目前使用較為廣泛的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括WiFi、ZigBee、Bluetooth、LoRa（低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)）以及NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）。WiFi、Zigbee 和Bluetooth 屬于局域網(wǎng)通信技術(shù)，廣泛使用在室內(nèi)等短距離通信場(chǎng)所；LoRa 和NB-IoT屬于廣域網(wǎng)通信技術(shù)，廣泛使用在室外等長(zhǎng)距離通信場(chǎng)所。LoRa 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)其優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本較低，缺點(diǎn)是不適用于長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程通信；NB-IoT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)其優(yōu)點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)，特別適合跨區(qū)域遠(yuǎn)程通信，缺點(diǎn)是不能自由組網(wǎng)及在通信數(shù)據(jù)量較大應(yīng)用背景下成本偏高。LoRa 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)兩者間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。LoRa 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合要充分考慮兩者間通信速率問(wèn)題，要盡量減少收發(fā)時(shí)延，避免出現(xiàn)收發(fā)不同步。隨著LoRa 無(wú)線(xiàn)通信和NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信的廣泛，LoRa 無(wú)線(xiàn)通信和NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信所涉及電路均已模塊封裝，形成批量生產(chǎn)的模組。目前LoRa 和NB-IoT 以模組形式使用，兩種模組數(shù)據(jù)接口有UART 串口、SPI 和I2C 三種，其中UART 串口使用較為廣泛，可通過(guò)UART 串口與MCU 芯片的串口連接，根據(jù)控制工藝要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)的傳輸。LoRa 模組和NB-IoT 模組與MCU 芯片連接的電路原理如圖3 所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)模組與MCU 硬件設(shè)計(jì)圖

LoRa 模組采用E32-422T20S2T 型號(hào)設(shè)備，設(shè)備為基于SX1278 射頻芯片的串口模塊，可工作在410~441MHz頻段，默認(rèn)頻率433MHz。E32-422T20S2T 型LoRa 模組具有定點(diǎn)發(fā)射和廣播發(fā)射兩種數(shù)據(jù)傳輸形式，定點(diǎn)發(fā)射時(shí)，只有接收方設(shè)置的“目標(biāo)地址”和“信道號(hào)”與接收到的數(shù)據(jù)幀中包含的“目標(biāo)地址”和“信道號(hào)”一致才可接收發(fā)送方的數(shù)據(jù)；廣播發(fā)射時(shí)，只要接收方的“信道號(hào)”與接收到的數(shù)據(jù)幀中的“信道號(hào)”一致均可接收數(shù)據(jù)。E32-422T20S2T 型LoRa 模組可工作在四種模式下，分別為一般模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式。四種模式的選擇由模組的M0 和M1 引腳電平狀態(tài)組合決定，具體模式選擇如表1 所示。

表1 E32-422T20S2T型LoRa模組工作模式選擇

在使用E32-422T20S2T 型LoRa 模組時(shí)，M0 和M1 引腳不可懸空使用。在中繼設(shè)備與終端設(shè)備間的LoRa 無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信相比較，其安全框架可分為MAC層安全、傳輸層安全和應(yīng)用層安全。MAC 層安全保障終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的雙向認(rèn)證以及MAC 控制命令的傳輸安全，傳輸層保障網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸安全，應(yīng)用層安全保障入網(wǎng)過(guò)程中的雙向認(rèn)證及數(shù)據(jù)載荷端到端的加/解密。[2]LoRa 無(wú)線(xiàn)通信的安全框架保證了端到端的安全。因此，終端設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩灾饕ㄟ^(guò)端到端間的連接設(shè)置實(shí)現(xiàn)，E32-422T20S2T 型LoRa 模組參數(shù)設(shè)置格式如表2 所示。

表2 E32-422T20S2T型LoRa模組參數(shù)設(shè)置格式

3 水源井遙控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

水源井遙控系統(tǒng)分為終端和中繼兩部分，均由MCU為核心組成控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各自功能。水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是為MCU 控制器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的MCU 型號(hào)為STM32F103ZET6，該MCU 內(nèi)核為Cortex-M3，采用了Thumb-2 指令集，Thumb-2 指令集的使用既獲得了傳統(tǒng)的32 位ARM 的性能，又具有16 位Thumb 代碼的高代碼密度，使得32 位ARM 代碼和16 位Thumb 代碼的編譯可在單一操作模式下處理完成，提高了both 的執(zhí)行時(shí)間、節(jié)省了指令存儲(chǔ)空間。

■3.1 水源井遙控終端程序設(shè)計(jì)

水源井主要任務(wù)是通過(guò)水泵抽取地下水，為水廠(chǎng)進(jìn)一步生產(chǎn)提供可持續(xù)的水原料。其主要控制對(duì)象為水泵電機(jī)，監(jiān)測(cè)的參數(shù)有水泵電機(jī)三相電壓、三相電流、有功功率、井口出水壓力和流量。首先要實(shí)現(xiàn)接收遠(yuǎn)程信號(hào)對(duì)水泵電機(jī)的啟、?？刂?，并且要能將水泵電機(jī)實(shí)際啟、停狀態(tài)反饋給信號(hào)發(fā)送端。其次對(duì)水源井出水壓力和流量?jī)蓚€(gè)模擬量通過(guò)MCU 模擬量通道采集，采集到的模擬量再通過(guò)MCU 的USART1 端口發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)。最后MCU 通過(guò)Modbus RTU 協(xié)議與電量采集模塊通信測(cè)量水泵電機(jī)三相電壓、三相電流和有功功率。依據(jù)水源井控制要求對(duì)MCU 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖4 所示。

圖4 水源井遙控終端程序流程圖

■3.2 水源井無(wú)線(xiàn)中繼程序設(shè)計(jì)

水源井無(wú)線(xiàn)中繼主要實(shí)現(xiàn)LoRa 無(wú)線(xiàn)通信與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)通信的互轉(zhuǎn)，兩者無(wú)線(xiàn)通信轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是MCU 控制器，因此需對(duì)MCU 進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。LoRa 模組和NBIoT 模組分別與MCU 的USART1 和USART2 兩個(gè)端口連接，通過(guò)對(duì)MCU 的USART1 和USART2 編程，完成從USART1到USART2 及以及從USART2 到USART1 的數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)發(fā)，可通過(guò)使用USART1 和USART2 的串行接收中斷，可降低USART1 與USART2 間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，實(shí)現(xiàn)低延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。此外，在接收和發(fā)送時(shí)均采用了CRC 校驗(yàn)，保證了從接收到發(fā)送的中轉(zhuǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)以上控制要求，水源井無(wú)線(xiàn)中繼程序設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 水源井無(wú)線(xiàn)中繼程序設(shè)計(jì)流程圖

4 水源井遙控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

水源井遙控系統(tǒng)其功能主要實(shí)現(xiàn)水源井水泵電機(jī)的啟停、出水壓力和流量、水泵能耗電量的監(jiān)測(cè)等。上位機(jī)需要通過(guò)遠(yuǎn)程通信完成對(duì)水泵電機(jī)、出水壓力和流量、水泵能耗電量的監(jiān)控，根據(jù)功能需要上位機(jī)系統(tǒng)劃分為用戶(hù)登錄模塊、通信設(shè)備監(jiān)測(cè)模塊、運(yùn)行監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊和故障顯示模塊。上位機(jī)系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)，C#語(yǔ)言是物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)常用的編程語(yǔ)言，以.NET Framework 為基礎(chǔ)在各種類(lèi)型應(yīng)用程序編寫(xiě)方面發(fā)揮著十分重要的作用，具有很高的安全性與穩(wěn)定性，同時(shí)C#還具備完善錯(cuò)誤的機(jī)制、異常處理的機(jī)制[3]。

■4.1 基于B/S 模式監(jiān)控設(shè)計(jì)

通過(guò)點(diǎn)擊選擇站點(diǎn)，系統(tǒng)連接前端設(shè)備，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控畫(huà)面中，如圖6 所示是運(yùn)行監(jiān)控畫(huà)面顯示。

圖6 運(yùn)行監(jiān)控模塊

■4.2 程序代碼

（1）服務(wù)器代碼

Server.RegisterArea(S7Server.srvAreaDB,1, ref DB1,DB1.Length);

Server.RegisterArea(S7Server.srvAreaDB,2, ref DB2,DB2.Length); Server.RegisterArea(S7Server.srvAreaDB,3,ref DB3, DB3.Length);

TheEventCallBack = new S7Server.TSrvCallback(EventCallback);

TheReadCallBack = new S7Server.TSrvCallback(Rea dEventCallback);

Server.EventMask = ~S7Server.evcDataRead;Server.SetEventsCallBack(TheEventCallBack, IntPtr.Zero); Server.SetReadEventsCallBack(TheReadCallBack,IntPtr.Zero);

int Error=Server.Start();

if (Error == 0)

{

Console.ReadKey();

Server.Stop();

}

else {

Console.WriteLine(Server.ErrorText(Error));}

（2）客戶(hù)端代碼

byte[]Buffer = new byte[0x10000];

資料分析是確定技術(shù)方案的基礎(chǔ)性工作，將各種資料中的有用信息充分合理地利用起來(lái)，可以使更新后的協(xié)議書(shū)及附圖等成果資料內(nèi)容更全面、權(quán)威，為鄉(xiāng)級(jí)行政區(qū)域界線(xiàn)勘定工作的順利開(kāi)展提供可靠的依據(jù)。

int Size = Buffer.Length;

int res = Client.AsUpload(S7Client.Block_SDB, 0,Buffer, ref Size);

if (res == 0)

{

res = Client.WaitAsCompletion(3000);

};

{

Console.WriteLine(“Dump : “ + Size.ToString ()+ “ bytes”);

HexDump(Buffer, Size);

}

5 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)某水廠(chǎng)的水源井遙控系統(tǒng)實(shí)地軟硬件測(cè)試，達(dá)到預(yù)期控制效果，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）LoRa 無(wú)線(xiàn)信號(hào)對(duì)水源井區(qū)域覆蓋率到100%，無(wú)掉線(xiàn)情況出現(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定。

（2）壓力、流量等模擬量數(shù)據(jù)采集誤差在5%，水泵電壓、電流和有功功率誤差在1%，水泵啟停反饋信號(hào)延時(shí)在300ms~500ms 之間。

（3）水源井無(wú)線(xiàn)中繼與水源井終端間數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低，CRC 校驗(yàn)效果明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

水源井遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103 ZET6 為控制器，分別設(shè)計(jì)水源井終端設(shè)備和水源井中繼設(shè)備，水源井中繼設(shè)備的MCU 將LoRa 模組與NB-IoT 模組相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了LoRa 無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)與NB-IoT 無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)無(wú)縫對(duì)接，解決了水源井處無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的覆蓋強(qiáng)度低的問(wèn)題。此外，采用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)的上位機(jī)可控制水源井水泵電機(jī)啟停，監(jiān)控水泵運(yùn)行狀態(tài)，水泵電機(jī)的能耗，水源井出水壓力和流量。水源井遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)較差的鄉(xiāng)村供水工程提供了一種數(shù)據(jù)采集的方案，且方案有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可為跨區(qū)域水資源統(tǒng)籌套配及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供基礎(chǔ)。