基于物聯網的ARM嵌入式水位監測系統的設計與實現

伯冰洋

（中央民族大學 理學院，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，大雨和暴雨量呈現顯著上升趨勢。2021年，鄭州特大暴雨洪澇災害造成了巨大的人員和財產損失，這些極端事件給社會生產和人民生活帶來了嚴重影響，受到全社會的廣泛關注。如何及時預測洪澇災害，使得群眾能夠提前規避危險，成了亟待解決的問題。

洪澇災害預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、水位進行實時監測；其次要結合對城市排水系統的分析，綜合調度和管控道路交通；同時相關部門應基于降雨信息、管網系統運行情況提前做出響應。在此過程中最重要的是搭建水位監測系統，及時準確地掌握水情才能把握受災地區的安全情況，讓人員和物資得到更合理的調配，提高對極端降水天氣的應對能力。

目前，對水情的監測和相關預警有多種方法，以衛星遙感監測技術為例，它具有覆蓋面積廣、周期短且時效強的優點，主要運用模型和遙感等技術進行分析，但會受到復雜天氣條件和時效性的影響。現有的防汛監測是通過檢測終端、水位計、工業相機組合以及云臺麥克風等設備實現的，以圖像資源分析水情，存在設備昂貴、架設條件高等問題；同時相關洪澇模型研究、調用降雨情景庫、運用仿真輔助等預警技術，存在著地形多變、模型數據不足的問題。而本文搭建的水位監測系統擁有著多時空、多地點以及實現水位實時檢測和預警的應用特點。

嵌入式系統是當前的熱門概念之一，無論是在工業控制、交通管理、信息家電、安防，還是手持設備領域，都有著非常廣泛的應用。本文開發了基于物聯網的ARM嵌入式系統，設計了一個低成本的水位監測和預警裝置，用以準確掌握復雜城市管網遭遇暴雨時各點的水情。此系統以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，通過WiFi無線模塊實現無線通信功能；結合硬件系統、數據通信、服務器和客戶端，實現水位計監測、物聯網通信、水位遠程監控和預警等功能。此系統具有簡潔、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勢。

1 應用需求分析

本文搭建的基于物聯網的ARM嵌入式水位監測系統，具有低成本、高可靠性、易于改進的優點，能夠做到實時監測、自動處理數據、自動預警。一方面，該系統能夠準確地檢測各點水情并設定自動預警，并且得益于嵌入式的優點，水位監測點的擴展更為方便簡潔；另一方面，水位的實時監測數據也可以用于其他的如模型構建等應用。另外，基于物聯網和ARM的嵌入式系統有助于各種水位監測和處理系統間的互聯和升級。

綜上分析，系統應具備以下幾項功能：根據水位信息的變化判定降水強度；根據排水系統的水位信息和降水信息處理分析，判斷是否預警；根據單點水位信息，判斷區域安全情況；提供實時數據變化情況，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合實現，具體情況如下：

（1）處理中心：包含STM32F103ZET6芯片和WiFi模塊。

（2）標準數據庫：包含多點水位的允許值。

（3）實時數據庫：包含當前多個水位的實際數據。

（4）水位：第處水位由第個液位傳感器檢測。

（5）用戶數據端：采用一個數據庫進行實時數據儲存和管理。

（6）屏幕：展示某一反應水池用水信息的數據和可視化監視工作進度。

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

2 模塊框架與功能實現

2.1 主控模塊

主控模塊主要是由STM32F103ZET6和ARM處理器構 成，還 包 含IS、USB、GPIO、UART、JTAG、Timer、ADC/DAC、FLASH、SDRAM。外接5 V電源、WiFi模塊、復位電路、輸入和輸出電路。具體結構如圖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，易于實現聯網；另外三種供電方案對應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，由于芯片內部供電電壓不同，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直流電壓經過濾波電路，通過LM7805三段線性穩壓器穩定輸出電壓。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。

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引腳狀態來選擇啟動模式。對應到STM32中有三種啟動方式，見表1所列。其中，ISP模塊下載數據就是將其燒錄到系統存儲器這個模塊。系統存儲器是STM32出廠時被預置的一段BootLoader，不可更改；用戶閃存存儲器是STM32的內置存儲器，JTAG模塊下載時就是將數據拷入這個存儲器；SRAM啟動的是內置SRAM，不具備程序存儲能力，一般用于程序調試。

表1 啟動模式

2.1.4 復位電路

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

2.1.5 JTAG接口調試

JTAG接口主要用于實現芯片測試、調試、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、技術成熟、布設方便等優點，還具有低功耗的優良性能。

本文運用WiFi通信協議，實現通過無線網絡進行數據傳輸的目的。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WiFi透傳，具有UART、GPIO、IC、IS接口，可以與外部設備進行數據通信。

正常工作狀態下，數據采集端采集由各個傳感器產生的數據，經由對應的WiFi節點傳入通信服務終端匯總，最后在PC上呈現具體數據并對其進行分析。具體工作流程如圖2所示。

圖2 傳輸模塊工作流程

2.3 數據采集模塊

選取HDL300型液位變送器用于產生水位數據，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，將壓力轉化為電信號，即轉化為標準的電流、電壓的輸出以及RS 485信號的輸出，具有良好的穩定性和可靠性。

圖3 HDL300型液位變送器

系統基于HDL300型液位變送器，利用擴散硅壓阻效應，將壓力轉換為電信號；經過溫度補償和線性校準，將其轉化為標準電流輸出，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系如圖4所示。

圖4 HDL300水深與輸出電流的關系

數據的處理上傳基于WiFi模塊和STM32F103ZET6芯片。數據采集工作需要在系統上電的情況下完成，等待WiFi模塊初始化并成功與上級節點建立通信，再開始數據模塊的正常運行。通過獲取來自通信模塊的指令，采集數據并上傳，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 數據模塊工作流程

3 實驗驗證

3.1 實驗設計

在某河流設置了四個液位采集點，連續采集1 h的數據，同步呈現在監測界面上，驗證多點采集協同監測的可行性。

3.2 實驗現象和結論

無線液位監測界面示意圖如圖6所示。通過實驗可得到以下結論：

圖6 無線液位監測界面

（1）節點對應區域信息：系統能夠以地圖坐標形式顯示節點的具體位置。

（2）節點水量信息：監測界面能夠直觀簡潔地展示當前各監測節點的液位信息。

（3）水位動態信息：監測界面能夠直觀展示各節點的水位變化趨勢。

（4）水位預警信息：系統能夠根據所設定預警水位線實時判定水位風險。

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

4 結 語

隨著我國極端降水事件的增加，復雜地形環境中時常會有多點水位難以實時監測的問題，從而引發經濟損失，且威脅人身安全。本文依托ARM嵌入式設計，構建了水位監測預警系統。此系統以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，附帶WiFi無線模塊實現無線通信功能；結合硬件、數據通信、服務器和客戶端完成了水位計本體和物聯網通信、水位遠程監控預警等功能。通過對多點水位的實時監測和呈現，能夠準確、有效、實時地提供相應地點的水位預警服務；同時，在緊急情況下能夠幫助管理者制定洪澇應急對策，對洪澇災害進行輔助預測，為救災資源的調配提供決策支持。