基于STM32的城市二次供水泵站遠程監控系統

廣州杰賽科技股份有限公司 陳龍飛

1.引言

隨著終端設備信息化集成程度的不斷提升，遠程智能監控技術在工業控制領域的應用也越來越廣泛，尤其是應用于遠程數據采集、設備監控等方面。城市二次供水泵站主要為彌補市政供水管線壓力不足，保證居住、生活在高層人群用水而設立的。通常，城市二次供水泵站內來自國內外廠家的設備大多價格昂貴且通信方式各異，城市供水泵房一般存在于地下室、偏僻居室內，泵房內變頻柜、電機、水箱、供水管道等共存一室，而且室內環境潮濕、陰暗，所以，工作人員需要時刻掌握泵房內設備的運行狀態，運營廠家投入大量人力、物力、時間進行研發，從而不斷的增加產品成本，也間接也增加了用戶的使用成本。因此我們需要開發一款針對城市供水泵房的低成本設備監測系統。

為實現對這些設備的高效監控，本文介紹了一種基于STM32單片機的泵站遠程監控解決方案，方案充分利用STM32芯片的諸多硬件接口單元特點，綜合GPRS、以太網的通信優點，設計出一套低成本、高可靠性、可配置具有多協議轉換和控制功能的二次供水泵站遠程監控系統。

2.系統功能

本系統的主要通過安裝在二次供水泵站的監控終端，使用有線通信和無線通信相結合的傳輸方式，實現調度中心對二次供水泵站內重要設備、泵站內環境的遠程監控，使調度中心能夠實時掌控泵站運行狀態。

2.1 應用框圖

如圖1所示：

圖1 系統框圖

2.2 功能特點

為應對泵房設備類型的多樣性，監控終端具備多路模擬量輸入、開關量輸入、繼電器開關輸出、脈沖量輸入采集功能，支持RS232/485通信，支持以太網通信，并配備有顯示單元，用于城市供水泵站的室內環境參數監測及電氣設備的運行監測與控制。

(1)設備監控

本系統中監控終端采用意法半導體公司生產的STM32系列單片機作為微控制器，充分利用了該型單片機的接口與功能單元，在保證穩定性情況下相比以往8位單片機大幅度提高了系統運作效率。泵站內各電氣設備間數據通信與處理相互獨立，互不干擾，監控終端對供水泵站內的變頻柜、PLC控制柜等設備進行狀態監控，并實時獲取泵站內儲水箱水位、管網壓力、流量統計等信息，在漏水、漏電等事故發生后對機房相關設備自動斷電。

(2)環境監控

監控終端對泵房環境的溫濕度情況進行監測，實時傳輸泵房內各設備運行狀況及有關數據信息到調度中心。調度控制中心可以對泵房設備的運行狀態進行調控。由于城市供水泵房多部分建設于樓宇地下室、偏遠地段，所以根據泵房所在環境位置的不同，本系統選擇使用無線與有線兩種通信方式相結合實現泵站與調度中心的通信。

3.監控終端設計

3.1 設計功能

監測終端具備多通道數據采集、無線通信傳輸、以太網數據傳輸、實時顯示和功能參數組態配置等功能，主要由主控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊、電源模塊以及機箱外殼組成，用于城市供水泵站的室內環境參數監測及電氣設備的運行監測與控制。

主控制板上設有參數存儲芯片、數據存儲芯片、以太網通信芯片、溫濕度感應芯片等器件，具備多路模擬量輸入、開關量輸入、脈沖量輸入和開關量輸出通道，并支持以太網通信。

(1)模擬量采集功能用來監測供水管網的壓力、水位等數據信息；

(2)開關量輸入用于監測供水泵房的市電供應、浸水狀態、電機運行、泵房門禁狀態；

(3)脈沖量輸入可用來采集以脈沖輸出計數的流量計信息；

(4)開關量輸出采用繼電器隔離輸出，用于控制燈光開關、泵房電機啟動；

現在這條小路是這樣走的：南池秦望村——后嶺村嶺頂(有天衣寺)——向左——上何山——沙灘——紅墻下——水林剃頭店門口上山到桃家山——桃紅村溪坑沿口上山——鵝鼻山。

(5)模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出、脈沖量輸入端口均支持功能組態；

(6)以太網通信口，支持TCP/UDP兩種協議，可配置成Client/Server模式，實現數據的互聯網傳輸，在無線信號無法覆蓋的區域，比如某些地下泵房可使用網線將監測器接入互聯網后連接到調度中心。

3.2 微控制器選型

本系統監控終端的微控制器采用ST公司基于Cortex-M3內核的32位增強型閃存微控制器STM32F103VC作為控制核心，CortexM3內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。該芯片最高主頻可達到72MHz，具有256K字節的閃存以及48K字節的SRAM。STM32F103VC自帶12位精度的ADC逐次逼近型模數轉換器，各通道的轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行，轉換結果以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。通道采樣時間可編程，總轉化時間可縮減到1s，此外，多種轉換模式供選擇，支持DMA數據傳輸。本系統采用定時器觸發的同步注入模式，能夠對多路信號進行同步采樣。STM32F103VC具有3個通用同步異步收發器(USART)，2個通用異步收發器(UART)。

3.3 數據采集設計

監控終端的數據采集單元由模擬量采集、開關量采集兩部分組成。

(1)模擬量采集

泵站設備數據輸出接口的信號主要為工業通信使用的4-20mA電流信號，因此，首先要將其轉換為滿足STM32F103VC ADC輸入范圍的電壓信號，以便進入ADC轉換為數字量。電壓信號輸入到STM32的ADC模擬輸入通道。

(2)開關量數據采集

(3)繼電器控制輸出

監控終端配備有繼電器單元，通過大功率中繼繼電器，可以控制外部高壓設備電源的開啟與停止。

3.4 通信單元設計

兩種通信方式：

GPRS通信：監控終端內配有支持GPRS的DTU，終端內數據控制器與DTU通過標準RS-232接口進行全雙工通信。DTU內建TCP/IP協議，具有透明的TCP/UDP傳輸信道，提供工業標準的RS-232/RS-485接口，可直接與專業工控采集設備、專業的偵測器連接，并支持偵測GPRS線路通訊狀況斷線重連功能。監控終端通過串口連接DTU，將數據信息送入電信運營商的GPRS網絡，實現與調度中心遠程無線通信。

以太網通信：終端控制器使用ENC28J60以太網控制器，支持TCP/UDP協議傳輸，E NC28J60和STM32F103VC通過SPI連接來進行通信，STM32F103VC對ENC28J60的各種操作均通過SPI接口進行，包括寄存器的設置，數據的發送和接收。正確設置ENC28J60的MAC地址與IP地址、子網掩碼以及網關后，系統可選擇通過UDP、TCP的方式接入寬帶互聯網實現與調度中心通信。

3.5 調度中心系統設計

調度中心系統在設計時滿足直觀、方便、實用、安全等要求，具有靈活的模塊組裝性能，采用多層C/S、B/S架構相結合的體系結構，通信服務器負責系統對遠程端站的所有通信功能控制和處理，數據處理服務器負責系統數據的處理和存盤操作，Client(客戶端)負責提供顯示和操作通信服務器的用戶界面信息，數據庫服務器則用于提供整個系統數據處理和存儲服務。

中心系統軟件的功能特點：

(1)點測。當用戶需要對遠程RTU端站的實時數據進行監測的時候，系統使用這個功能將遠程RTU實時數據調返中心系統；

(2)巡測。當用戶需要對系統所有RTU端站的實時數據進行刷新監測的時候，使用此功能；

(3)數據補調。當中心調度系統由于停電或無線通信情況不夠好等原因，造成定時檢測的歷史數據無法保存到系統數據庫，端站運行正常的時候，可使用此項功能將存于該RTU端站中指定時段的定時數據補調到中心數據庫中；

(4)系統校時。在電臺通信方式下，每次定時開始之前，先對系統下所有相關RTU端機進行一次校時。對于GPRS等網絡通信方式的RTU，每天只需校時一次，一般由系統在每天的0點0分0秒開始進行一輪終端校時；

(5)參數查詢與讀取。中心系統可以對各個泵站監控終端的參數進行設置和讀?。?/p>

(6)報警功能。系統支持兩種報警類型，第一種是從點測回來的實時數據中進行上下限等分析后形成報警信息。第二種是端機突發事件或門禁報警，報警數據源直接來自下位端機以命令的形式送回中心系統。

(7)歷史數據維護與曲線分析。系統應提供模擬量和開關量歷史定時數據的查改維護功能。歷史數據的查改按數據處理的不同可以分為：日、月和年歷史數據查改。歷史數據的曲線分析按日月年不同的歷史數據分為兩大類型：多時段數據曲線，功能是對一個參數，在多個時段的變化對比，在圖形中不同的時段將以不同顏色顯示；多參數數據曲線，給出多個參數在同一個天的變化對比，在圖形中將以不同顏色代表不同的參數進行顯示。

4.結論

本文介紹的供水泵站遠程監控終端系統采用ST公司cortex-m3核心的STM32F103VC微控制器，芯片包含豐富的功能模塊，自帶有16路A/D轉換、5路串口通信等功能，在滿足應用需求的同時又簡化了硬件設計，降低了系統開發成本。本系統具有功耗低、可靠性高等優點，采用MODBUS協議通過無線通信與上位機實時通信，隨著城市供水泵站自動化程度的提高，這種基于STM32的城市泵站監控系統將有更高的應用價值和廣闊的市場前景。