基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠程控制系統(tǒng)

泰安技師學院　張仕俊

基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠程控制系統(tǒng)

泰安技師學院張仕俊

本文依托物聯(lián)網(wǎng)平臺，以Arduino uno單片機為控制核心，利用壓力變送器把水壓變換成（4～20ma）電流信號，經(jīng)過電流電壓轉換電路變?yōu)椋?～5V）電壓，轉換后的電壓信號送入單片機模塊，經(jīng)過單片機內部程序處理后，通過W5100網(wǎng)絡模塊連接至物聯(lián)網(wǎng)平臺。在網(wǎng)絡平臺上與手機界面上顯示壓力數(shù)據(jù)曲線與壓力值，撥動平臺與手機界面上相應的開關即可實現(xiàn)遠程控制。此外裝置可綁定微博（或者微信），當壓力異常時發(fā)送信息進行壓力異常報警。

壓力曲線；網(wǎng)頁控制；手機端控制；微博報警

1.引言

傳統(tǒng)的變頻器恒壓供水系統(tǒng)反映了局部官管網(wǎng)運行狀態(tài)，但是，沒有和物聯(lián)網(wǎng)鏈接，無法把運行數(shù)據(jù)隨時發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)上，不適應物聯(lián)網(wǎng)+時代，采用大數(shù)據(jù)分析時無法提供實時數(shù)據(jù)。本文在原有變頻器恒壓供水控制系統(tǒng)的基礎上，依托物聯(lián)網(wǎng)概念，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)物與物之間的信息交互。通過電腦端，手機端實現(xiàn)信息的在線實時監(jiān)控與反向控制。

2.系統(tǒng)結構

基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠程控制系統(tǒng)由以下模塊組成：

1）傳感器檢測和電流電壓轉換電路模塊；

2）Arduino uno單片機為運行控制器模塊；

3）W5100網(wǎng)絡通信模塊；

4）Yeelight開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺；

5）電腦或手機端檢測與控制：

6）繼電器控制電路模塊；

7）原變頻恒壓供水模塊；

8）程序流程圖。

3.主要模塊及電路介紹

3.1電流電壓轉換電路

電流電壓轉換電路由傳感器電路、電源電路、整形放大電路組成。

3.1.1傳感器采用壓力變送器

使用24V直流電，它的內部有集成電路測量膜片，感受壓力產生形變，經(jīng)線性及溫度補償電路轉換成4～20mA電流信號輸出。

3.1.2電源電路、整形放大電路

圖1所示， 7660可進行倍壓轉換，即VOUT=2VIN.輸入5V電壓，8腳得到10V電壓作為運算放大器LM324的電源電壓。傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過電阻R3后轉變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過運算放大器（電壓跟隨器）U2A后進行RC濾波，并且此環(huán)節(jié)R4，R5有消耗過電壓能量，抑制震蕩的作用，經(jīng)過U2B后在U2C的輸入端構成同相加法器，調節(jié)精密可調電阻RP1可根據(jù)輸入信號調節(jié)輸出電壓范圍（LM324 8腳調至0～5V）。送Arduino UNO R3單片機模擬輸入端口A3，由單片機把模擬量轉換成數(shù)字量。再發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺以曲線形式顯示。

3.2Arduino uno單片機為運行控制器模塊

Arduino UNO R3電路原理圖如圖2所示，處理器核心是ATmega 328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz的晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。編程軟件采用Arduino IDE。編程語言用C語言。應用模塊以庫文件存在于IDE編程軟件中，使編程簡單化；可實現(xiàn)圖形化編程。與W5100連接可訪問互聯(lián)網(wǎng)。實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)測及控制。由電源自動選擇電路、供電電路、單片機電路、USB接口電路組成，各電路功能介紹如圖2所示。

圖1　電源電路、整形放大電路

3.2.1Arduino供電電路

供電模式1：外接9V電源經(jīng)保護用二極管D1（反接時不燒毀），由NCP1117ST50T3G低壓差正電壓穩(wěn)壓器變成5V輸出。

3.2.2電源自動選擇電路

供電模式2：選擇USB口或用外接電源供電；

圖2　Arduino UNO R3電路原理圖

USB接頭提供5V的電壓，經(jīng)自復式保險管（電流大于500mA的時候，該保險管會自動斷開，電流恢復到允許的范圍內后，保險管會自動恢復連接）提供5V電壓。外接電源VIN經(jīng)分壓電阻分壓后加到運放LM358的3腳；當輸入電壓大于7V時，3腳電壓高于2腳電壓（3.3V），1腳輸出高電平；FDN340P PMOS管處于截至狀態(tài)，從而切斷了USB接口的供電。當外接電源輸入電壓VIN小于6V時，LM358的3腳電壓低于2腳（3.3V）， 1腳輸出低電平。FDN340P管處于導通狀態(tài)，由USB口供電。LP2985-33DBV是線性穩(wěn)壓器，負責把5V電源轉變成3.3V電源，該器件能給Arduino UNO提供大約50mA的電流。

3.2.3USB接口部分

ATmega16U2是USB接口芯片，其特征包括：

1）8K/16K字節(jié)的Flash，支持自擦寫功能。512字節(jié)EEPROM和512字節(jié)SRAM。

2）內置Boot-Loader功能（Arduino Uno引導加載程序）。

3）支持USB全速，包含4個USB輸入輸出端口。

4）包含內置晶振。

5）操作電壓范圍為2.7V到5.5V。2.7V時，最大工作頻率是8MHz；4.5V時，最大工作頻率是16MHz。

Arduino UNO板上ATmega16U2將USB口轉為串口，由8腳和9腳的M8RXD和M8TXD與主控芯片ATMEGA328P-AU的串口引腳2和3相連接。

3.2.4主控芯片部分

主控芯片ATMEGA328P-AU的工作電壓為5V，每個I/O腳的最大輸出電流：40mA，F(xiàn)lash大小：32K字節(jié)，SRAM大小：2K字節(jié)，EEPROM大小：1K字節(jié)，時鐘頻率最大為16M。

3.3W5100網(wǎng)絡通信模塊

網(wǎng)絡接口部分：

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口芯片，內部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。W5100內部還集成有16KB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口（Socket）編程。W5100網(wǎng)絡模塊原理圖如圖4所示。該模塊由電源電路（三端集成穩(wěn)壓芯片L1117T-3.3V把5V電壓變成3.3V供W5100和RJ45使用）、W5100電路（負責單片機和物聯(lián)網(wǎng)通訊）、晶振電路（產生25MHZ振蕩頻率）、網(wǎng)絡接口RJ45（網(wǎng)線接口）組成。

Arduino UNO板上W5100與主控芯片ATMEGA328P-AU通過SPI接口SS、MOSI、MISO和SCLK共四個引腳進行連接。SPI是由美國摩托羅拉公司最先推出的一種同步串行傳輸規(guī)范，也是一種單片機外設芯片串行擴展接口。 SPI模式可以允許同時同步發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)，并支持4種工作方式：

SPI工作方式簡介：4個接口信號為：串行數(shù)據(jù)輸入（MISO，主設備輸入、從設備輸出）、串行數(shù)據(jù)輸出（MOSI，主設備輸出、從設備輸入）、移位時鐘（SCK）、低電平有效的從設備使能信號（cs）。SPI最大的特點是由主設備時鐘信號的出現(xiàn)與否來確定主/從設備間的通信。一旦檢測到主設備的時鐘信號，數(shù)據(jù)開始傳輸。

W5100通過網(wǎng)絡變壓器與RJ45網(wǎng)卡接口相連接，RJ45再和路由器相連接。所以，以W5100構成的網(wǎng)絡模塊與Arduino單片機組合，可以很輕松的與物聯(lián)網(wǎng)平臺進行對接。W5100連接單片機和網(wǎng)絡接口框圖如圖3所示：

圖3　W5100連接單片機和網(wǎng)絡接口框圖

3.4Yeelight開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺

在Yeelight物聯(lián)網(wǎng)平臺， 注冊賬號，創(chuàng)建設備及傳感器。壓力曲線及監(jiān)測與遠程控制如圖5所示；綁定微博或微信作為壓力異常報警接收端。

3.5電腦或手機端檢測與控制

以手機端檢測與控制為例，物聯(lián)網(wǎng)平臺有相應的手機端APP軟件（IOS和Android），手機端軟件與電腦端功能相同。

圖4　W5100網(wǎng)絡模塊原理圖

（1）登錄手機端Yeelink賬號；（2）點擊相應的開關實現(xiàn)遠程控制；（3）點擊壓力變送器將打開圖表顯示壓力曲線。

圖5　壓力曲線及監(jiān)測與遠程控制

圖6　程序流程圖

3.6繼電器控制電路模塊

繼電器控制電路有NPN型三極管、5V繼電器、電阻、二極管組成，電阻為三極管基極的限流電阻，二極管為繼電器線圈的保護二極管。觸發(fā)方式為高電平出發(fā)，繼電器常開觸點連接在PLC輸入端口上，PLC輸出端口通過PID調節(jié)儀連接變頻器IRF、ACM端口，變頻器通過變頻和切換工頻/變頻控制電機 轉速，達到控制水壓，并配合PLC切換三臺電機實現(xiàn)恒壓供水。

3.7原變頻恒壓供水模塊

原變頻恒壓供水模塊已經(jīng)具有：（1）低恒壓值運行，保障生活用水，高恒壓值運行，保障消防供水；（2）三臺泵已經(jīng)實現(xiàn)“先開先停接入/退出；（3）一臺泵運行3小時，切換下一臺泵；（4）對泵有手動控制功能；（5）有報警功能；（6）當壓力穩(wěn)定時維持；（7）壓力不足時增泵；（8）壓力超過設定時減泵。由于篇幅所限不再論述。

3.8程序流程圖

程序流程圖如圖6所示。

4.小結

本文論述了“變頻恒壓供水+物聯(lián)網(wǎng)”，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)水壓監(jiān)測和遠程控制；并據(jù)此制作出“基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠程控制系統(tǒng)”，有一定的創(chuàng)新點。為使用大數(shù)據(jù)分析官網(wǎng)運行狀態(tài)成為可能，具有一定的應用推廣價值。

張仕俊，大學本科，工學學士，高級講師，泰安技師學院教務處長，研究方向：機械和電氣自動化。