基于GSM的無(wú)人值守小型潛水泵站監(jiān)控系統(tǒng)

夏鶴鵬+湯黎明

摘 要：基于GSM設(shè)計(jì)了小型潛水泵站監(jiān)控系統(tǒng)，以單片機(jī)STC90C52為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算及系統(tǒng)控制中心，以PCB8591模塊和達(dá)林頓管為主要器件，設(shè)計(jì)了模擬量AD/DA轉(zhuǎn)換和開關(guān)量控制的外圍電路，通過(guò)單片機(jī)與GSM模塊的串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，利用GPRS網(wǎng)的短信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)小型潛水泵站遠(yuǎn)程開機(jī)、停機(jī)和電動(dòng)閥門控制以及泵站運(yùn)行主要技術(shù)參數(shù)的短信查詢。研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)小型泵站無(wú)人值守具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：潛水泵站；單片機(jī)；GSM；控制與監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）32-177-2

0 引言

為了加強(qiáng)我國(guó)農(nóng)村水利基礎(chǔ)實(shí)施，“十二五”期間我國(guó)新建兩萬(wàn)余座中小型泵站，其中小型潛水泵站因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而得到了廣泛應(yīng)用，它們?cè)谖覈?guó)的農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)增收和民生工程中發(fā)揮了巨大作用。農(nóng)村小型潛水泵站因其面大量廣，規(guī)模小而分散且部分泵站地處偏遠(yuǎn)，人工管理不便。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，GSM/GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與覆蓋，為小型泵站無(wú)人值守提供技術(shù)平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)小型潛水泵站無(wú)人值守，筆者基于GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)短信平臺(tái)設(shè)計(jì)了泵站監(jiān)控系統(tǒng)。

1 潛水泵站監(jiān)控的技術(shù)要求

本文主要介紹利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型泵站運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。主要遠(yuǎn)程開停機(jī)控制、相關(guān)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)相關(guān)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)等功能。重點(diǎn)論述關(guān)鍵技術(shù)研究的重要組成部分、軟硬件設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)等方面。

泵站主要技術(shù)參數(shù)中的模擬量由壓力壓差傳感器采集，并經(jīng)過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，開關(guān)量則是由達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)中間繼電器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的控制系統(tǒng)通過(guò)I2C總線的DA轉(zhuǎn)換模塊，并設(shè)計(jì)單片機(jī)與傳感器之間的接口電路，基于GSM/GPRS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)小型潛水泵站的變頻調(diào)速、智能閥的開度調(diào)節(jié)等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

根據(jù)當(dāng)前實(shí)際工作的需要，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下基本功能：

①泵站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開停機(jī)控制；

②泵站運(yùn)行工況相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)；

③泵站運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)；

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的總體框架圖

泵站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的監(jiān)控部分框架圖如圖1所示，由圖可以清晰地看出單片機(jī)在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中的重要作用。單片機(jī)在泵站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制過(guò)程當(dāng)中能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)泵站的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行開停機(jī)的操作，同時(shí)也對(duì)泵站運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)，單片機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，將參數(shù)通過(guò)短信模塊以短信的形式及時(shí)的發(fā)送到值班人員的手機(jī)中。這樣值班人員可以觀察相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送指令給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)判斷短信模塊的信號(hào)來(lái)對(duì)水泵站的機(jī)組的揚(yáng)程、流量、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，充分實(shí)現(xiàn)了小型泵站無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的功能。

3 關(guān)鍵硬件設(shè)備電路的設(shè)計(jì)[1—3]

3.1 新版西門子GSM模塊TC35i介紹

TC35i西門子工業(yè)GSM模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3-4.8V，電流消耗——休眠狀態(tài)為3.5mA，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA（平均），可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，功耗EGSM900和GSM1800分別為2W和1W，通過(guò)接口連接器和天線連接器分別接至SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓3V/1.8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口通過(guò)AT指令課雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持TEXT和PDU格式的短消息。

TC35i 由供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF 連接器、天線接口等 6 部分組成。作為 TC35i 的核心基帶處理器主要處理 GSM 終端內(nèi)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。

3.2 STC89c52單片機(jī)對(duì)TC35i模塊的連接與控制

本課題只是利用GSM模塊短信的接收與發(fā)送功能，因此只利用到TC35i模塊的數(shù)據(jù)傳輸與接收接口。接口連接如圖2所示，TC35i的18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通信腳，分別于單片機(jī)的RXD和TXD相連接。TC35i模塊有40個(gè)引腳，通過(guò)一個(gè) ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。

16～23為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和 DCD0。TC35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。它有固定的參數(shù)：8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在 300bps～115kbps之間可選，本系統(tǒng)默認(rèn)為9600。其中TC35i 使用外接式SIM卡， 24～29為SIM 卡引腳，SIM卡同 TC35i是這樣連接的：SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND 通過(guò)SIM卡閱讀器與 TC35i 的同名端直接相連，ZIF 連接座的CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM 卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。

3.3 單片機(jī)的其他電路連接

單片機(jī)的其他電路的設(shè)計(jì)與連接包括泵站開停機(jī)的控制、泵站運(yùn)行參數(shù)的開關(guān)量輸入和輸出。針對(duì)上述設(shè)計(jì)的需要，本團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)加入了PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換模塊。本團(tuán)隊(duì)所用的PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0， A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無(wú)須額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。可以跟AT89C52單片機(jī)連接并運(yùn)行，滿足上述需求。開停機(jī)控制原理圖如圖3所示。PCF8591連接原理圖如圖表4所示。

4 GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)功能[4～5]

4.1 短信的接收與發(fā)送流程圖

新版西門子GSM模塊接收和發(fā)送短信，過(guò)程如圖5所示。首先必須初始化GSM模塊，同時(shí)對(duì)模塊中的串口速率、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)，看其是否正常運(yùn)行，之后設(shè)置GSM模塊短信的模式，因?yàn)镚SM模塊短信模式分為TXT和PDU模式，因此應(yīng)將模式設(shè)置為PDU模式。當(dāng)系統(tǒng)完成一系列工作是系統(tǒng)進(jìn)行處理短信的一系列工作，然后依次循環(huán)工作。

4.2 短信接收和發(fā)送的工作過(guò)程

TC35i的控制采用AT+xxx（xxx為相關(guān)指令）的方式實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)發(fā)送正確的AT指令對(duì)TC35i進(jìn)行短信的接收與發(fā)送。TC35i的模式有2中：TXT模式和PDU模式。本團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)采用PDU模式來(lái)實(shí)現(xiàn)短信的接收和發(fā)送。TC35i運(yùn)行后給單片機(jī)發(fā)送一條字符串，表示GSM模塊已經(jīng)運(yùn)行，可以執(zhí)行下一步的命令，接下來(lái)就可以通過(guò)AT指令控制其工作。

5 完整電路系統(tǒng)的運(yùn)行

將單片機(jī)、GSM模塊、PCF8591模塊、直流繼電器、傳感器、小型潛水泵和控制電路板相互連接并接至各端的電源，打開電源保證各元件正常工作。當(dāng)所有元件正常工作時(shí)，首先觀察到GSM模塊的指示燈從一燈到四燈依次被點(diǎn)亮，點(diǎn)亮完成后全部熄滅，二、三燈再被點(diǎn)亮后熄滅，此時(shí)手機(jī)會(huì)接收到GSM模塊發(fā)出的Ready on的短信。當(dāng)收到短信時(shí)說(shuō)明此時(shí)的電路連接正常。接下來(lái)就能進(jìn)行小型潛水泵的控制，從手機(jī)端發(fā)送K1指令，GSM模塊二、三閃爍后收到指令，通過(guò)單片機(jī)和控制電路將直流繼電器吸合接通小型潛水泵開關(guān)，水泵正常運(yùn)行，手機(jī)接收到Run on的短信。當(dāng)手機(jī)端發(fā)送K0指令時(shí)，GSM模塊會(huì)給單片機(jī)發(fā)送關(guān)閉指令，斷開繼電器從而使水泵電路斷電，水泵停止工作，手機(jī)會(huì)收到Run off的短信。上面這些步驟實(shí)現(xiàn)了水泵的開停機(jī)工作，下面介紹水泵相關(guān)參數(shù)的讀取和控制。當(dāng)手機(jī)端發(fā)送K3指令時(shí)，單片機(jī)會(huì)將PCF8591讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給GSM模塊，GSM模塊再發(fā)送內(nèi)容給手機(jī)，此時(shí)手機(jī)會(huì)接收到水泵的轉(zhuǎn)速n（r/min）、揚(yáng)程H（m）、水位差h（m）等相關(guān)參數(shù)信息。如果此時(shí)的某些參數(shù)不滿足實(shí)驗(yàn)者的要求，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送相關(guān)調(diào)節(jié)的參數(shù)的數(shù)值，單片機(jī)會(huì)將某一參數(shù)的數(shù)值自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)者的設(shè)定值，以轉(zhuǎn)速為例，本課題用sd0000～sd1500表示轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍，任意發(fā)送一條指令后水泵將會(huì)調(diào)節(jié)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水泵實(shí)時(shí)參數(shù)的讀取和調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于AT89C52和TC35i模塊利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型泵站運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，將泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、便捷管理等功能集成一體，本系統(tǒng)不僅具有實(shí)用性能強(qiáng)，覆蓋區(qū)域廣，可靠性能高，可移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，而且能夠降低小型潛水泵站的管理成本和認(rèn)為管理失誤率，提高泵站設(shè)備的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全系數(shù)。本系統(tǒng)是基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，成本較低，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 衛(wèi)勇，黃婷，單慧勇，等.短信型農(nóng)村泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2007，36（08）：32-33，114.

[2] 蘇子林，韓小玲.基于GIS/GPS/GSM的車輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（19）：207-209.

[3] 王龍寶，趙杰.基于物聯(lián)網(wǎng)的水利施工機(jī)械遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].水利經(jīng)濟(jì)，2012，30（01）：31-35.

[4] 郭志俊.小型泵站監(jiān)控的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009（10）：90-93.

[5] 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（第3版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6] 謝長(zhǎng)生，蘭嵐.短信網(wǎng)關(guān)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，25（6）：868-870.