基于STM32微控制器的無線水塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)

張素萍 高照陽 張建芬

(1.天津中德職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350；2.上海交通大學上海市復雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240； 3.暨南大學珠海校區(qū)，廣東 珠海 519070)

基于STM32微控制器的無線水塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)

張素萍1高照陽2張建芬3

(1.天津中德職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350；2.上海交通大學上海市復雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240； 3.暨南大學珠海校區(qū)，廣東 珠海 519070)

針對目前農(nóng)村集中供水實時監(jiān)控自動化水平低下、人力成本較高和施工布線繁重的問題，提出基于STM32微控制器的無線水塔遠程監(jiān)控解決方案。根據(jù)方案進行了系統(tǒng)硬件和軟件設計。系統(tǒng)以STM32F103RC微控制器作為下位機控制核心，通過Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言設計了智能數(shù)據(jù)采集終端和智能網(wǎng)關(guān)MCU應用軟件，實現(xiàn)了現(xiàn)場多個水塔水位信息的實時采集和水泵實時控制。整個系統(tǒng)采用PC機作為上位機監(jiān)控中心，基于LabVIEW 2012開發(fā)環(huán)境進行上位機監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理軟件開發(fā)，實現(xiàn)向下位機發(fā)送監(jiān)控命令，同時對現(xiàn)場多個數(shù)據(jù)采集終端的采樣數(shù)據(jù)進行存儲、處理、顯示及統(tǒng)計等功能。

無線遠程監(jiān)控 水塔 數(shù)據(jù)采集 STM32 ZLG7289A LabVIEW

農(nóng)村集中供水是當前國家為解決農(nóng)村生活用水問題的一項重大舉措，它直接關(guān)系到居民生活用水質(zhì)量安全。農(nóng)村集中供水具有工作效率高、自動化管理及節(jié)省人力資源成本等優(yōu)點。但是，由于供水范圍擴大，用戶不斷增多，對水塔的供水能力提出了更高的要求。為了保障農(nóng)村居民用水，一般一個集中供水點建有多個水塔對居民進行供水，但是多個水塔之間距離較遠，這給水塔監(jiān)控帶來不便[1]。目前對多個水塔自動供水的實

時監(jiān)控常采用有線方式，但是這種方式經(jīng)常需要重新布線，給施工帶來諸多不便，而且，硬件線路容易老化或遭到腐蝕磨損,系統(tǒng)發(fā)生故障的概率大幅增加[2,3]。為了及時、穩(wěn)定、可靠地對多個水塔進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理，筆者結(jié)合STM32微控制器和無線射頻傳輸?shù)膬?yōu)勢，提出了一種基于STM32微處理器的無線水塔遠程監(jiān)控解決方案。

系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

基于STM32微控制器的無線水塔遠程監(jiān)控系統(tǒng)上電后，各智能數(shù)據(jù)采集終端首先進行初始化，讀取內(nèi)部FLASH中存儲的系統(tǒng)參數(shù)，然后配置STM32微控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，啟動A/D轉(zhuǎn)換器對相應水塔水位模擬數(shù)據(jù)進行采集，而后根據(jù)實時水位數(shù)據(jù)執(zhí)行水泵控制程序，控制水泵的打開與關(guān)閉。同時，各智能數(shù)據(jù)采集終端在實時運行過程中，通過無線射頻傳輸模塊實時監(jiān)聽上位機發(fā)送過來的監(jiān)控命令(數(shù)據(jù)采集、水泵控制、參數(shù)設置)，當監(jiān)測到是發(fā)送給本機的水泵控制或參數(shù)設置命令時，執(zhí)行水泵控制程序或MCU水位上下限參數(shù)設置程序；當監(jiān)測到是發(fā)送給本機的數(shù)據(jù)采集命令時，將MCU內(nèi)部暫存的最新水位數(shù)據(jù)、水位上下限參數(shù)設置和水泵實時狀態(tài)按照約定的協(xié)議通過智能網(wǎng)關(guān)上傳到上位機，由上位機進行水塔實時水位數(shù)據(jù)的存儲、處理、顯示、匯總、統(tǒng)計及報表打印等工作。

2 系統(tǒng)硬件

2.1系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型

根據(jù)系統(tǒng)工作原理可知，智能數(shù)據(jù)采集終端和智能網(wǎng)關(guān)需要選擇一個MCU作為控制核心。基于盡可能選用成熟電路和元器件的原則，硬件電路設計要留有一定的硬件資源和接口，便于系統(tǒng)功能擴展與升級，嵌入式MCU要具有豐富的外設資源[4]。在此選用基于Cortex-M3的STM32微控制器STM32F103RC作為智能數(shù)據(jù)采集終端和智能網(wǎng)關(guān)的控制核心。

傳統(tǒng)的水位檢測是通過設立檢測點來完成對水位的檢測。通常，由于受檢測點物理體積的影響，水位檢測點的數(shù)目有限，從而影響了后續(xù)電路控制的精度[5]。鑒于此，系統(tǒng)選用北京某公司生產(chǎn)的投入式液位變送器MPM426W作為本系統(tǒng)的水位傳感器。該傳感器具有使用壽命長、安裝方便、溫度穩(wěn)定性好及一體化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，輸出電壓為0～5V，可以達到對水位高度的精確檢測，利于提高后續(xù)電路控制的精度。

傳統(tǒng)的人機接口通常采用8255及8155等并行擴展芯片或者可編程鍵盤、顯示驅(qū)動芯片Intel 8279進行人機接口設計。該設計方案存在占用IO資源多、電路設計復雜、功耗較高、體積大及不易編程等缺點[6]。而ZLG7289A是具有SPI串行接口功能，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片還可同時連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片機即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。鑒于此，系統(tǒng)采用鍵盤和顯示集成芯片ZLG7289A進行人機接口設計。

無線傳輸模塊選用433MHz高度集成半雙工無線射頻模塊VT-DTMSD3-433。該模塊采用MCU對數(shù)據(jù)進行封裝和處理，用戶只要通過UART接口，即可實現(xiàn)透明的無線數(shù)據(jù)通信，具有通信距離遠(可靠傳輸距離可達5km)、功耗低、體積小、接口靈活、使用簡單及工作穩(wěn)定等優(yōu)點。對用戶來說，無線通信部分不需要控制，數(shù)據(jù)包沒有固定格式，只需將模塊當成UART終端使用即可，為開發(fā)人員開發(fā)無線產(chǎn)品縮短了周期。

2.2智能采集終端硬件

智能采集終端硬件主要包括晶振、電源、水塔水位模擬數(shù)據(jù)采集、鍵盤和LED顯示、水泵執(zhí)行機構(gòu)、蜂鳴器報警以及無線射頻通信模塊接口等硬件電路模塊。智能采集終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

在圖2中，晶振電路部分采用8MHz的外部無源晶振加兩個30pF的獨石電容設計方法，然后經(jīng)過STM32微控制器內(nèi)部的PLL電路，將其倍頻成72MHz的系統(tǒng)時鐘，作為系統(tǒng)的最終運行時鐘；電源部分采用5V電源適配器，經(jīng)過電源芯片LM1117MPX-3.3將電源適配器輸出電壓(5V)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的工作電壓(3.3V)；對于水塔水位模擬數(shù)據(jù)采集部分，水塔水位壓力傳感器輸出的模擬信號電壓為0～5V，而STM32微控制器內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為0.0～3.3V,所以需要經(jīng)過信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的輸入電壓；對于鍵盤和顯示部分，ZLG7289A與STM32微控制器的接口采用三線制SPI串行總線，由/CS、CLK和DATA這3根信號線組成。/CS和CLK是輸入信號，由STM32微控制器提供。DATA信號是雙向的，必須接到STM32微控制器上具有雙向功能的I/O端口上。此外，/KEY為按鍵發(fā)生標志信號，可接到STM32微控制器相應的一個GPIO引腳上，然后將其配置成中斷輸入。水泵執(zhí)行機構(gòu)控制和蜂鳴報警電路采用光耦芯片TLP521-2將MCU內(nèi)部的弱電信號和外部的強電信號進行光電隔離，然后驅(qū)動固態(tài)繼電器控制水塔水泵的開和關(guān)，或者驅(qū)動蜂鳴器進行聲音報警，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性。無線通信接口部分采用STM32微控制器內(nèi)置的UART1與無線射頻模塊進行串行通信。

2.3智能網(wǎng)關(guān)硬件

智能網(wǎng)關(guān)硬件主要是基于STM32微控制器的最小系統(tǒng)設計，相對來說比較簡單，這里不再詳細介紹。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設計包括智能數(shù)據(jù)采集終端MCU應用軟件設計、智能網(wǎng)關(guān)MCU應用軟件設計和上位機數(shù)據(jù)管理軟件設計3個部分。其中，智能網(wǎng)關(guān)MCU應用軟件實現(xiàn)的是對上位機發(fā)送的監(jiān)控命令和智能數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)的功能。其軟件設計比較簡單，限于篇幅，這里不做詳細介紹。

3.1系統(tǒng)軟件通信協(xié)議約定

為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的抗干擾性、穩(wěn)定性、可靠性和準確性，上位機和下位機必須按照約定的通信協(xié)議進行通信。協(xié)議命令見表1。

表1 上位機和下位機通信命令格式

表1所示的協(xié)議命令采用字節(jié)型數(shù)據(jù)進行傳輸，每條協(xié)議命令共有12Byte，其中BYTE0和BYTE1是起始標識符，用來作為識別命令開始的標志，在系統(tǒng)中分別用0X55、0XAA進行標識。BYTE2為地址標識符，采用獨立地址為8個智能數(shù)據(jù)采集終端進行地址編號，以便加以區(qū)分。BYTE3為命令類型字節(jié)標識符，上位機下發(fā)的命令類型分為控制命令、采集命令和設置命令3種。BYTE4～10為數(shù)據(jù)標識符字節(jié)，當由上位機下發(fā)控制命令時，表示對水泵進行的控制；當上位機下發(fā)參數(shù)設置命令時，表示對相應數(shù)據(jù)采集終端水位進行上下限參數(shù)設置；由下位機軟件返回實時水位相關(guān)數(shù)據(jù)時，BYTE4～10則代表了實際采樣的水位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、水位上下限參數(shù)和水泵開關(guān)實時狀態(tài)。BYTE11為校驗字節(jié)標識符，用于校驗接收數(shù)據(jù)的正確性。

在數(shù)據(jù)采集時，采用主從結(jié)構(gòu)方式進行，只有在上位機發(fā)出采集命令，下位機通過識別正確的地址碼和命令類型碼后，才將最新采集到的水位數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，由上位機對采樣到的數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲[1]。

3.2智能采集終端軟件

智能采集終端軟件主要包括A/D轉(zhuǎn)換、LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示、鍵盤中斷服務程序、水泵開關(guān)控制及無線數(shù)據(jù)通信等軟件功能模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊利用STM32微控制器內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進行水塔水位模擬數(shù)據(jù)的采集，其設計方法是首先對RCC、GPIO和ADC進行配置，而后啟動內(nèi)部A/D進行轉(zhuǎn)換工作，最后讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并進行暫存和預處理。對于LED數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示模塊，該功能模塊包括向ZLG7289A的SPI接口寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)、從SPI接口讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)、執(zhí)行純指令、執(zhí)行帶數(shù)據(jù)的指令、對指定位數(shù)碼管進行顯示及讀取鍵盤數(shù)據(jù)等功能。鍵盤中斷服務程序主要對系統(tǒng)水塔水位上下限、本機地址及水泵控制接法等相關(guān)參數(shù)進行設置，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法進行鍵盤程序設計，便于鍵盤程序的升級與維護。對于水泵開關(guān)的控制，有兩種實現(xiàn)方式，一種是由STM32根據(jù)水塔水位采樣數(shù)據(jù)，然后與預設水位上下限參數(shù)比較，控制水泵的開與關(guān)；另一種是STM32將水位采樣數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊上傳到上位機，由上位機根據(jù)預設水位上下限參數(shù)，將水泵控制結(jié)果下傳到STM32，由STM32控制水泵的開與關(guān)。系統(tǒng)水泵默認控制方式為第一種。無線數(shù)據(jù)通信模塊主要是接收上位機發(fā)送的監(jiān)控命令，然后執(zhí)行監(jiān)控命令相對應的程序。為了確保智能數(shù)據(jù)采集終端能夠及時響應到上位機發(fā)送的監(jiān)控命令，本模塊RS232接收采用中斷方法進行設計，RS232發(fā)送采用查詢方法進行設計。智能數(shù)據(jù)采集終端MCU軟件主程序設計流程如圖3所示。

圖3 智能數(shù)據(jù)采集終端MCU軟件主程序設計流程

3.3上位機監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理軟件

上位機監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理軟件的主要功能就是采用定時輪詢的方法，對現(xiàn)場的各個智能數(shù)據(jù)采集終端進行實時監(jiān)控并進行數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)選用計算機虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW 2012作為監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)平臺，根據(jù)軟件工程模塊化設計的思想，系統(tǒng)軟件主要分為RS232數(shù)據(jù)通信、采樣數(shù)據(jù)顯示、存儲、處理、打印、統(tǒng)計、采樣數(shù)據(jù)報警、下位機參數(shù)設置及水泵開關(guān)控制等功能模塊。把各個模塊設計成子Vi形式供主程序動態(tài)地調(diào)用。基于上位機LabVIEW軟件設計的主程序流程如圖4所示。

圖4 基于上位機LabVIEW的軟件主程序流程

4 系統(tǒng)測試與驗證

由于系統(tǒng)包括智能數(shù)據(jù)采集終端、智能網(wǎng)關(guān)和上位機監(jiān)控軟件3部分，為了確保該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運行，數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)正確、抗干擾性強，所以，對每一部分的軟硬件首先采用模塊化設計思想進行設計，然后對各個模塊進行測試與驗證，最后進行集成測試與驗證。其中，智能數(shù)據(jù)采集終端、智能網(wǎng)關(guān)軟件在Keil uVision3開發(fā)環(huán)境下進行開發(fā)與調(diào)試。具體方法是通過JTAG對MCU應用軟件各個模塊進行單獨和集成測試與驗證[7,8]。MCU應用軟件測試與驗證通過之后，將最終編譯生成的固化文件燒錄進MCU的啟動FLASH中。上位機監(jiān)控軟件的測試與驗證在LabVIEW 2012開發(fā)環(huán)境下進行，通過其內(nèi)置圖形化調(diào)試工具對各個軟件設計模塊進行單獨和集成測試與驗證[7]。在確保智能數(shù)據(jù)采集終端、智能網(wǎng)關(guān)和上位機監(jiān)控軟件全部測試與驗證通過后，然后再進行集成聯(lián)調(diào)。最終確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的預期設計功能。系統(tǒng)上位機LabVIEW監(jiān)控軟件實時運行界面如圖5所示。

圖5 上位機LabVIEW監(jiān)控軟件實時運行界面

5 結(jié)束語

針對目前農(nóng)村集中供水實時監(jiān)控自動化管理水平低下、人力資源成本較高、施工布線繁重的問題，提出了一種基于STM32微控制器的無線水塔遠程監(jiān)控解決方案，并進行硬件和軟件設計。整個監(jiān)控系統(tǒng)利用專業(yè)水位壓力傳感器采集水塔水位模擬數(shù)據(jù)，采用VT-DTMSD3-433作為無線傳輸模塊，利用串口通信技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)上傳到上位機監(jiān)控中心，實現(xiàn)水塔水位信息的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能。通過工程實踐測試表明，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集終端監(jiān)測點和監(jiān)控中心工作穩(wěn)定，在一定傳輸距離內(nèi)，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測的要求，具有運行穩(wěn)定可靠、可擴展性強、功耗低、體積小、成本低及便于維護等優(yōu)點。此外，該方案在農(nóng)村集中供水中的應用也表明它能夠提高供水管理的自動化水平并節(jié)省人力資源成本，具有較好的應用前景。

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1000-3932(2016)02-0195-06

2015-12-07(修改稿)