基于STC單片機的智能遠程水塔集群監控系統設計

摘要：為提高農村集中供水的管理效率和保障居民正常用水，設計了基于STC單片機的智能遠程水塔集群監控系統。系統硬件電路以STC單片機作為處理器，實現了穩定可靠的數據采集、數據傳輸和水塔控制功能；上位機監控軟件將采集到的水位信息通過圖表和字符的方式顯示在界面上，并根據設置的水塔參數自動計算水塔的用水量等數據并將所有采集到和計算出的數據保存至數據庫。結果表明，該系統工作穩定，軟件界面友好，操作方便。

關鍵詞：STC單片機；水塔；集群監控

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3415-05

農村集中供水是當前國家為解決農村生活用水問題的一項重大政策，它直接關系到居民生活用水安全。集中供水具有效率高、便于管理等優點。但是，由于供水范圍擴大，用戶增多，對水塔的供水能力提出了更高的要求。為充分利用現有水塔和保障供水，一個集中供水點有多個水塔對居民進行供水，而且多個水塔之間距離較遠，這給人工水塔監控帶來不便。為了及時可靠地對集群水塔進行監控和管理，研究針對具有4個水塔的集中供水點設計了基于STC單片機的遠程水塔集群監控系統[1-5]。

1 系統總體方案介紹

遠程水塔集群監控系統包括底層硬件系統和上位機監控軟件兩部分。遠程水塔集群監控系統結構如圖1所示。遠程水塔集群監控系統采用433 MHz的無線數傳模塊進行水位數據和控制信號的傳輸。4個水塔距監控中心的距離從100 m到3 km不等，為保證數據傳輸的可靠性，系統全部采用傳輸距離為4 km的無線數傳模塊。每個水塔檢測點能完成對水位高度的檢測以及對水泵和閥門的控制功能，檢測點將檢測到的水位數據傳輸到主處理器中。主處理器通過串行端口與監控中心PC機進行通信，將采集到的水位數據傳輸給上位機人機監控軟件。監控軟件通過判斷當前該水塔的水位狀態，適時下發控制命令對該水塔的水泵和閥門進行控制。

2 硬件系統設計

2.1 監控中心硬件電路組成框圖設計

監控中心電路主要負責采集各個水塔檢測點的水位數據，并將數據發送到監控中心PC機上，然后適時接收監控中心PC機下發的控制命令，并將命令轉發到水塔檢測點控制水塔的水泵和閥門。如圖2所示，監控中心硬件電路由電源模塊、STC單片機處理器、433 MHz無線數傳模塊、串口模塊以及工作指示模塊等組成。

監控中心硬件電路的核心處理器采用的是STC12C5A32S2單片機，該單片機具有增強型8051內核，速度比普通8051快8～12倍，具有雙串口和硬件看門狗。電源模塊將從電源適配器輸入的12 V直流電轉換成5 V的直流電，給整個監控中心硬件電路提供穩定可靠的電源，以保證監控中心長期穩定工作。無線數據模塊用來收發無線數據，通過串口與處理器進行數據交換，將采集到的數據送到處理器中，并將處理器下發的命令發送出去。處理器的一個串口供無線模塊連接，另外一個串口與串口模塊連接。通過串口模塊將監控中心PC機和單片機處理器連接起來進行數據交換。工作指示模塊由電源指示燈、信號指示燈以及蜂鳴器組成，用來指示當前的工作狀態。當無線通信模塊能正常與各個水塔檢測點通信時，信號指示燈亮，蜂鳴器用來提示水塔缺水信息。

2.2 水塔檢測點硬件設計

水塔檢測點硬件系統主要包括單片機處理器、無線模塊、控制模塊、水位檢測模塊和電源模塊等。

2.2.1 電源模塊電路 檢測裝置一般安裝在水塔頂部，其電源模塊采用AC220V供電，為避免發生感應雷擊造成電路毀壞，在電源模塊電路中電流經過變壓器前加入了一個TVS二極管，來防止一定的雷擊和浪涌，同時為進一步保護整個電源模塊電路，整流橋前再次加入一個TVS二極管，其為整個電路的穩定提供了保障。電源模塊電路如圖3所示。

2.2.2 水位檢測模塊電路 水位檢測模塊采用的是超聲波傳感器模塊來進行水位高度的檢測，通過I/O觸發測距方式，給至少10 μs的高電平信號，模塊自動發送8個40 kHz的方波，超聲波模塊自動將測得的當前液面距探頭的距離數據發送給單片機處理器，處理器即可根據總蓄水高度計算出當前水位高度，計算如下：h=H-（t×v）/2。式中，h為當前水位高度；H為總蓄水高度；t為高電平持續時間，即超聲波從發射到返回時間；v為聲速，取340 m/s；

2.2.3 無線模塊電路 無線模塊負責發送采集到的水位數據和接收來自監控中心的控制命令，具體電路如圖4所示。

2.2.4 控制模塊電路 控制模塊電路如圖5所示。主要用來對水泵和水塔閥門進行控制，控制模塊提供的是干節點繼電器輸出，用來控制水泵和閥門。當單片機通過433 MHz無線模塊接收到水位測量信號后，通過單片機處理計算出當前水位高度，當水位測量值等于或小于水位的水池下限值時（此時單片機檢測到的是低電平信號），單片機輸出一個高電平（1為高電平）信號，經由無線模塊發射信號去啟動水泵工作，同時打開電磁閥門，使水池水位逐漸上升；當水位測量值等于水池上限值時，單片機輸出一個高電平信號給PT2262編碼器， 通過433 MHz無線模塊發射信號去停止水泵工作。

為提高控制模塊的可靠性，采用了非門集成電路和達林頓管集成電路兩者結合的方式來驅動繼電器工作，這一方面保護了處理器的I/O口，另一方面提高了對水泵和閥門控制的可靠性與穩定性。

3 軟件設計

整個集群監控系統軟件包括上位機軟件和下位機軟件[6，7]。上位機軟件負責對接收的數據進行分析、存儲以及控制命令的下發；下位機軟件負責驅動整個硬件系統進行數據的采集、傳輸和執行控制命令。

3.1 通信協議設計

為提高系統的抗干擾性和避免無線數據的碰撞，上位機監控軟件和下位機軟件必須按照制定的通信協議進行通信。協議命令分為由上位機軟件下發的命令和由下位機軟件上傳的命令，每條命令格式如表1所示。

協議命令采用字節型數據進行傳輸，每條協議命令共7個字節，其中BIT0為起始位，作為識別命令開始的標志，在本系統中用同一字節表示。BIT1為地址位，在系統中地址位分為廣播地址和獨立地址。廣播地址為一個相同字節，而獨立地址要分別為4個水塔分配不同的地址以示區別。通過廣播地址可以對所有監控點同時進行控制，而獨立地址則對每個監控點單獨控制。BIT2為命令類型的區分位，上位機下發的命令類型分為控制命令、采集命令和設置命令3種。為區分不同的命令，需要根據不同的命令類型設置不同的字節。BIT3-BIT5為數據位，當由上位機下發控制命令時，可用來區分是對水泵的控制還是對閥門的控制；由下位機軟件返回水位數據時，BIT3-BIT5則代表了水位數據，單位為cm。BIT6為校驗位，為驗證接收數據的正確性，通常按照一定的算法來校驗所接收的數據。通過判斷BIT6與算法計算出來的數據的一致性來判斷數據接收的正確性。

在數據采集時，采用一問一答的方式進行，只有在上位機監控軟件發出采集命令后，下位機軟件通過識別正確的地址碼和命令類型碼才能執行采集數據任務并將數據發送到上位機監控軟件。

3.2 下位機軟件設計

STC單片機驅動軟件采用Keil開發環境進行開發，監控中心下位機軟件主要是用來進行無線數據的中轉，只透明傳輸數據，不對數據進行操作，不實現其他的控制功能，因而軟件結構簡單，在此不贅述。

水塔檢測點下位機軟件設計流程如圖6所示，檢測點硬件系統上電后自動進行初始化程序，然后等待無線模塊傳過來的命令。首先通過地址解析識別是否為本機地址，然后再解析命令類型，根據不同的命令類型來執行相應的命令。

3.3 上位機軟件設計

上位機監控軟件采用界面友好、操作方便的Visual Basic.NET2008[8]軟件進行開發。軟件包括菜單欄、顯示界面和狀態欄3個部分。上位機監控軟件實現對數據的采集、分析和處理，并能根據不同的需要通過自動和手動兩種方式對各個水塔進行獨立或整體控制[9]。軟件的采樣周期可調，將采集到的水位數據通過曲線和文本的方式顯示在界面上并自動保存數據到數據庫中，根據設置的水塔參數計算出每個水塔的每日用水量、每周用水量、每月用水量、每年用水量以及總用水量，同時將這些參數在軟件界面上繪制成曲線圖并將數據保存起來，以供調用查閱。軟件運行界面如圖7所示。

4 結語

研究設計了一套智能遠程水塔集群監控系統，并為該系統專門設計了硬件電路和監控軟件。試驗結果表明，系統通過硬件電路實現了對水位數據的采集和傳輸，監控中心上位機監控軟件能以設定的采樣周期進行水塔數據采集。遠程水塔集群監控系統的開發大大提高了對水塔的管理效率，為居民正常用水提供了保障，給更大規模供水點的水塔集群監控提供了參考方案。

參考文獻：

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