淤沙壩智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何 洋，張思妍，魏雄偉

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710600）

1 引言

黃河作為我國“母親河”流經(jīng)九個(gè)省份，為經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，但同時(shí)也是世界上含沙量最高的河流[1-2]。由于中途流經(jīng)黃土高原，攜帶了大量泥沙流入河，更是加劇了黃河的泥沙含量[3]，大量泥沙在河道淤積致使河床上抬，對(duì)航運(yùn)和河道治理造成極大隱患且加劇了下游地區(qū)的洪澇災(zāi)害，成為制約下游城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大剛性約束，已嚴(yán)重影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-5]。解決泥沙含量過高問題最直接有效的方法就是建設(shè)淤沙壩水利設(shè)施，將過量泥沙引流入淤沙壩中，減少河道中的泥沙含量，降低自然災(zāi)害發(fā)生概率同時(shí)還能淤積大量泥沙資源以供利用[6]。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)淤沙壩庫區(qū)進(jìn)行參數(shù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測成為了研究熱點(diǎn)。通過對(duì)淤沙壩智能監(jiān)測系統(tǒng)功能需求的分析，在此嘗試開發(fā)一套基于STM32F103的淤沙壩智能監(jiān)測系統(tǒng)，以更好實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域淤沙壩庫區(qū)相關(guān)參數(shù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為便于遠(yuǎn)程監(jiān)測，開發(fā)了上位機(jī)界面，使監(jiān)測系統(tǒng)更加完善。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)是基于黃河流域淤沙壩特征，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及GPRS無線通信技術(shù)綜合實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)不僅可對(duì)淤沙壩監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨量、泥沙含量、水位等參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，還可將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU處理存儲(chǔ)后在現(xiàn)場通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。GPRS通信模塊的引入，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。在遠(yuǎn)程終端設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面，為終端接收數(shù)據(jù)的處理調(diào)用帶來便利。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的電源供給是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的根本保證[7]。考慮到大壩在野外建設(shè)，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，市區(qū)供電相對(duì)困難，因此選用太陽能電池板和12V鋰電池共同為系統(tǒng)供電。陽光充足時(shí)，由太陽能電池板為系統(tǒng)供電，并且儲(chǔ)存電能；當(dāng)儲(chǔ)存電能用盡且沒有陽光照射太陽能電池板時(shí)，系統(tǒng)將啟用12V鋰電池供電，保證系統(tǒng)全天工作，避免因斷電產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。考慮在野外易受雷電天氣影響，因此在電源上增設(shè)一個(gè)避雷器，防止雷電對(duì)電源系統(tǒng)造成損壞。電源系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 外部電源結(jié)構(gòu)

由于各模塊工作電壓不同，主控模塊需要3.3V供電，水位和降雨量傳感器需要接5V電壓，電容式泥沙含量傳感器接12V電壓，因此系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的電壓轉(zhuǎn)換電路來維持各個(gè)模塊的正常工作。選用LM2576S電壓芯片進(jìn)行12V/5V的轉(zhuǎn)換，它是一款開關(guān)型集成穩(wěn)壓電源，內(nèi)含基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率較高，產(chǎn)生的熱量較小，且價(jià)格低廉，使用壽命較長[8]。選用LM117芯片作為5V轉(zhuǎn)3.3V電路的電壓芯片。LM117芯片共有四個(gè)引腳，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，溫度范圍為-40℃~125℃，具有輸出電壓穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格實(shí)惠等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)換電路具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)所使用的傳感器包括雨量傳感器、水位傳感器、電容式泥沙含量傳感器。

遠(yuǎn)程監(jiān)測終端和現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)都需要采集大量外部數(shù)據(jù)，這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路以滿足采集不同數(shù)據(jù)的需求。雨量傳感器輸出為脈沖量，水位傳感器和泥沙含量傳感器輸出分別為0~90mA和0~12V信號(hào)，對(duì)應(yīng)的外部接口電路選用RS485通信電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。

系統(tǒng)選用CD4051芯片設(shè)計(jì)了4路抉擇選通切換電路，用于對(duì)多路不同輸入輸出信號(hào)進(jìn)行切換選擇，滿足多通道數(shù)據(jù)切換需要。支持8路輸入數(shù)據(jù)信息的切換選擇，相當(dāng)于具有8個(gè)移動(dòng)開關(guān)的選擇選通電路，在用戶選擇多路輸入輸出通道時(shí)，通過選擇輸入的3位數(shù)據(jù)地址碼中的ABC值來決定需要選擇哪一輸入通道。芯片工作電壓范圍為0~5V。模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入選擇電路具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

對(duì)于降雨量以及泥沙含量數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)每種傳感器的輸出數(shù)據(jù)特征，設(shè)計(jì)滿足數(shù)據(jù)采集要求的轉(zhuǎn)換電路。前端數(shù)據(jù)采集所選用的雨量傳感器以及電容式泥沙含量傳感器輸出的是RS485信號(hào)，通過RS485信號(hào)線獲得傳感器內(nèi)部寄存器中采集到的數(shù)據(jù)信息。RS485數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示。

2.2.3 GPRS通信模塊電路設(shè)計(jì)

GPRS通信模塊的主芯片選用SIM5310，該芯片憑借體積小巧、運(yùn)行穩(wěn)定、損耗極低等優(yōu)勢在信息遠(yuǎn)程傳輸領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)系統(tǒng)通信需求，SIM卡電路設(shè)計(jì)為8引腳工作模式，引腳定義如表1所示。由內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器對(duì)通信模塊進(jìn)行供電，工作電壓為2.8V或1.8V。具體接口電路如圖6所示。

表1 SIM卡引腳定義

圖6 GPRS通信模塊電路

2.2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

考慮到工程實(shí)際應(yīng)用需要，系統(tǒng)選用的顯示器為4.3寸電阻式觸摸屏。這一產(chǎn)品因其反應(yīng)迅速、靈敏度高、相對(duì)便宜的優(yōu)勢和成熟的技術(shù)在工程應(yīng)用中獲得了很大的市場。在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了屏幕的可靠性，也證明了電阻式觸摸屏更適用于野外惡劣環(huán)境使用，它不受灰塵、雨水等環(huán)境變量影響，可在高溫環(huán)境下正常顯示。屏幕通過壓力感應(yīng)的工作原理實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)屏幕的操作和控制，感應(yīng)靈敏，即使戴著手套依然可以操作顯示屏幕，極其便利。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 總流程軟件設(shè)計(jì)

程序整體流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過前端傳感器進(jìn)行降雨量、水位、含沙量數(shù)據(jù)的采集，MCU對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及存儲(chǔ)，經(jīng)MCU處理后的信息可在觸摸屏實(shí)時(shí)顯示，并通過GPRS通信方式將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。在工作流程完成后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端需要采集的數(shù)據(jù)有降雨量、水位、含沙量。其中降雨量和含沙量都是模擬量，因此需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換即A/D模塊。此處采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)6路32位轉(zhuǎn)換器，可以保證多條通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)。具體流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

雨量傳感器和電容式含沙量傳感器采集模塊首先通過芯片CD4051選擇ADC0通道（雨量傳感器通道接口）和ADC1通道（電容式含沙量傳感器通道接口），然后控制相應(yīng)引腳啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將傳感器發(fā)送過來的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，交由MCU對(duì)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)。

2.3.3 顯示模塊程序設(shè)計(jì)

觸摸屏顯示程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 顯示模塊流程圖

在該顯示模塊中，采用的是4.3寸電阻式觸摸屏，可供現(xiàn)場工作人員對(duì)淤沙壩監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。按照設(shè)計(jì)，程序?qū)⑹紫葯z測是否有按鍵按下或者觸摸，如若有操作發(fā)生則按照操作依次進(jìn)行顯示，在顯示結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式，將系統(tǒng)的能耗降為最低，延長系統(tǒng)的使用壽命。

2.3.4 GPRS通信模塊程序設(shè)計(jì)

GPRS模塊在軟件程序的控制下啟動(dòng)，由MCU通過串口發(fā)送AT命令進(jìn)行模塊的初始化，所使用的AT指令說明如表2所示。隨后，由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商分配動(dòng)態(tài)的IP地址給GPRS模塊，與終端進(jìn)行通訊。具體GPRS通信模塊工作流程如圖10所示。

圖10 GPRS通信模塊流程圖

2.3.5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)界面的開發(fā)采用Qt進(jìn)行。Qt作為一款跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，主要用來開發(fā)圖形用戶界面（Graphical User Interface,GUI）[9]，除了可以繪制界面（包括控件、布局、交互），還可以實(shí)現(xiàn)多線程、訪問數(shù)據(jù)庫、圖像處理、音視頻處理、網(wǎng)絡(luò)通信、文件操作等。所開發(fā)的上位機(jī)顯示界面如圖11所示。從界面中，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨量、泥沙含量、水位等參數(shù)信息，還可以顯示當(dāng)前日期，方便現(xiàn)場工作人員及時(shí)觀測特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終都為國家相關(guān)部門制定決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。

圖11 上位機(jī)界面

3 系統(tǒng)調(diào)試

首先進(jìn)行硬件調(diào)試。檢查各模塊與MCU之間的線路連接，根據(jù)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行一一對(duì)照接線。特別注意MCU中引腳的功能以及接線方式，確保接線安全。經(jīng)多次檢查，系統(tǒng)硬件平臺(tái)接線正常。系統(tǒng)硬件實(shí)物連接圖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)實(shí)物硬件連接圖

接通電源后，MCU紅色指示燈正常亮起，繼電器指示燈也正常亮起，說明系統(tǒng)可以正常工作，排除器件自身隱患以及接線錯(cuò)誤等問題。給MCU燒入顯示模塊程序，查看觸摸屏是否能夠正常工作。經(jīng)多次測試，觸摸屏顯示正常，系統(tǒng)可以正常工作，能夠?qū)崟r(shí)顯示采集到的各個(gè)參數(shù)信息。

軟件調(diào)試選用MDK為調(diào)試工具。該平臺(tái)為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器的設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)軟件調(diào)試界面如圖13所示。

圖13 軟件調(diào)試界面

經(jīng)調(diào)試，GPRS模塊測試成功，網(wǎng)絡(luò)端口設(shè)置正常，端口為：8080，本機(jī)地址為：192.168.137.235，傳感器采集的數(shù)據(jù)已通過串口發(fā)送至上位機(jī)，傳輸功能測試成功。GPRS通訊模塊的調(diào)試結(jié)果實(shí)際屏幕顯示如圖14所示。

圖14 GPRS模塊調(diào)試結(jié)果屏顯

4 結(jié)束語

以STM32F103微處理器為控制核心結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及GPRS無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套淤沙壩智能監(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件功能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并可傳輸至監(jiān)測終端，系統(tǒng)功能完善，效果較為理想。此款淤沙壩監(jiān)測系統(tǒng)體現(xiàn)了STM32與上位機(jī)相結(jié)合的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)測統(tǒng)一，能夠更加智能化、現(xiàn)代化、自動(dòng)化地為我國的泥沙治理提供支持。