基于STM32單片機的遠程網絡泵站監控系統的設計

李浩正 陳良展 張騰

摘? ?要：我國是水利大國，眾多城市都有不同規模大小的泵站，但絕大部分城市的泵站運行效率低下，大多數地區的泵站維護依然停留在過去的專人管理時代，遇到緊急突發狀況時應對能力差。文章結合我國各地泵站的管理現狀、工業自動化管理以及遠程監控水泵的要求，設計了一種基于STM32嵌入式微控制器的遠程網絡泵站監控系統，可以讓泵站的管理者通過互聯網控制監測水泵的運行。

關鍵詞：泵站遠程監測;聯網控制;信息無線傳輸

在我國偏遠地區，受地理位置的約束，泵站的控制室與工作間相隔較遠，有線控制網絡建設成本高，后期維護較為困難。大部分泵站的運行管理依然通過手工控制進行，沒有全面的運行數據監測，無法判斷設備的運行工況，進而影響泵站性能，無法獲得完整運行數據，難以量化管理。且由于工人質量參差不齊，對泵站形成了安全隱患。通過建立基于無線網絡的遠程網絡泵站監控系統，可以實現遠程參數采集，實時通信控制，較好地解決了上述問題。

1? ? 系統功能設計

系統主要包括4個功能：無線監測、遠程控制、無線通信、數據處理。具體如下。

（1）無線監測。通過系統帶有的信號采集模塊來采集有關水泵的運行參數信息，比如電機的電壓、電流、功率、工作時間、工作溫度;水泵的進出水口壓力、流量大小等。（2）遠程控制。系統提供3種控制方式，一是在泵站現場單獨每個水泵可控制開關，便于單獨維修檢查或者意外情況;二是每個泵站提供一個總控制器，便于現場管理員按照日常工作需求總控制;三是通過NB-IoT模塊接入互聯網，便于網絡控制啟停。（3）無線通信。一個區域內的不同泵站通過Lora星型組網互相通信，所有數據匯集到一個區域內的總控制器上，總控制器通過NB-IoT模塊接入互聯網，將數據發送到云端進行分析，并承擔遠程指令向下的交流功能。（4）數據處理。云端服務器接收到泵站的工作數據會保存下來，并對其進行分析以獲取信息、生成數據報表等，同時監測異常數據的出現。

2? ? 系統硬件設計

為實現以上功能，在硬件方面，設計兩個硬件平臺，一為單獨水泵控制器，具體包括：最小核心系統、電源系統、壓力變送器、溫度傳感器、霍爾傳感器、繼電器控制系統、低功耗控制系統、TFT顯示、Lora星型組網通信。二為區域總控制器，具體包括：最小核心系統、供電系統、LCD觸控系統、Lora星型組網通信以及NB-IoT聯網通信。

2.1? 水泵控制器

水泵控制主控采用STM32L051C8T6，該芯片為ST公司專門為物聯網低功耗領域生產的嵌入式芯片，具有極低的功耗，其含有一個LPUART、一個10通道的12位ADC以及一個SPI模塊，可以滿足用戶的需求。信息采集模塊包括壓力變送器、溫度傳感器、霍爾傳感器，壓力變送器采用市場上常見的4-20MA信號壓力變送器;溫度傳感器采用PT100高精度熱電偶，優點是測溫范圍大，溫度測量精度高，測量方法簡便，通過微控制器自帶的ADC即可測出;霍爾傳感器選擇開口型，由于水泵電機的工作電流較大，必須選擇大量程的霍爾傳感器，且其在安裝時無需破壞原有電路線纜。繼電器控制系統采用歐姆龍公司G2R-1E-12V型號繼電器，耐壓值高，能夠滿足三相電機的高電壓要求。其驅動電壓為12 V，微控制器的IO口電壓最大為3.3 V，為此增加了一個三級管，來放大IO口的電壓信號，進而通過IO口高低電平控制繼電器的開關。TFT顯示設計采用ST7735這一屏幕顯示控制芯片，顯示屏幕大小為1.8寸。可通過SPI通道與MCU通信，從MCU獲得指令與數據顯示所需要的內容。Lora通信采用E64-433T20S，相比于ZigBee通信方式，Lora具有抗干擾能力強、通行距離遠超前者的優點，同時該種型號的Lora還具有星型組網與抗阻塞的功能，設置好主從機可自動尋找信號連接，在大批量數據發送造成信道擁堵時，還可以暫時保存數據，保證數據不丟失。

2.2? 區域控制器

區域控制主控采用STM32F429IGT6，該芯片為ST公司生產的高性能Cortex-M4芯片，性能高，能夠滿足RGB屏幕刷新所需要的大量資源。同時，該芯片有3個USART模塊，可以滿足從下位接收信息與向上發送數據的需求。RGB-LCD顯示系統采用一塊7寸1 024*600分辨率的RGB彩屏，觸摸芯片為GT911，該屏幕與MCU通過FSMC接口相連，另外外接一個512 MB的SDRAM作為顯存暫時存放圖像。Lora通信采用E64-433T20S，與本文中上一模塊相同。NB-IoT模塊采用移遠BC95模塊，可滿足對低功耗、長待機、深覆蓋、大容量所要求的低速率業務，適合水泵控制對時間延遲低敏感、非連續移動、實時傳輸數據的場景。

3? ? 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，將不同單獨的功能單獨封裝成不同的子程序，分別編寫調試，在需要時調用不同的子程序即可，既方便調試尋找問題，又可以節約儲存空間。

3.1? 水泵控制器

系統初始化：調用芯片廠商庫函數完成對芯片所使用的基本資源的初始化，包括時鐘系統、IO復用、ADC采樣、SPI屏幕驅動、串口通信。主程序結構如圖1所示。

系統上電初始化好各個模塊后，開始采集各個傳感器數據，并發送至總控制器，循環進行;在中斷程序中接收到來自主機的控制指令后執行對應的控制程序，隨后回到觸發中斷處繼續執行未執行的任務。為防止MCU執行異常造成事故，看門狗時刻監控MCU運行，一旦發生異常情況便復位MCU，重新初始化開始執行程序。

3.2? 區域總控制器

系統初始化：調用芯片廠商庫函數完成對芯片所使用的基本資源的初始化，包括時鐘系統、IO復用、FSMC模擬8080時序驅動RGB屏幕、串口通信、屏幕觸摸芯片初始化。區域總控制器主程序結構如圖2所示。

系統上電初始化好各個模塊后，開始在LCD上顯示所獲取的水泵運行信息，并將數據通過NB-IoT模塊發送到云端;如果有人工介入控制則執行人工控制指令，執行完畢后循環執行。

4? ? 結語

本遠程網絡泵站控制系統在研制完成后在學校有關企業的幫助下進行了實際使用測試，取得了較為理想的成績，提高了管理效率，降低了勞動成本，提高了對突發狀況的應對能力。將信息與控制結合到一起，實現了對生產狀況的把握。本系統總成本較低、可靠度高、使用壽命長，使用本文設計的監控系統可以實現泵站的遠程無人控制以達到節約人力、物力的效果。

[參考文獻]

[1]陸云泳.水泵遠程控制系統設計與開發[J].信息技術與信息化，2014（5）：143-145.

[2]吳杉，蒙建波，劉一兵，等.基于PIC的智能遠程水泵控制器的研制[J].自動化與儀器儀表，2012（2）：91-93.

[3]孫鑫萍，邱滔，王穎棋.遠程水泵控制系統的實現[J].電腦與信息技術，2018（6）：38-39.

[4]王濤，周琦.污水提升泵站無人值守的改造[J].中國給水排水，2010（10）：146-147.