基于RT-Thread實時操作系統的多泵站遠程監控系統設計

杜石雷 劉繼偉 林考

摘? 要：為了實現特殊環境下泵站的監控和操作，本文設計了一套泵站遠程監控系統。該系統基于RT-Thread實時操作系統開發，節點之間通過Lora無線通信傳輸數據，并且借助標準Modbus協議采集泵站數據，實現狀態檢測和操作控制。經過實際現場運行測試，該系統運行穩定，數據傳輸正常，表明該方案是可行的，且具備一定的實際推廣價值。

關鍵詞：RT-Thread;遠程監控;Lora無線傳輸

中圖分類號：TV675? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0 概述

在實際生產中，為了有效監控多個泵站的運行狀態以及下發指令進行操作，需要通過硬接線或者現場總線組成網絡化的控制系統，而在一些特殊環境（比如海上、山地、丘陵等）下，存在傳輸距離遠、布線困難等問題[1]。為了有效改善以上問題，實現多泵站的遠程監控，為狀態監測系統實施打下良好基礎。基于此，本文提出一種基于RT-Thread實時操作系統的多泵站遠程監控系統。該系統主要采用Lora無線通信技術，軟件運行在嵌入式實時操作系統RT-Thread上，功能節點分為無線通信終端主節點和無線通信終端從節點，均采用STM32單片機進行開發。

1 總體結構

該系統包括以下4個功能部分：無線終端主節點、無線終端從節點、設備采集器和數據共享節點。該系統的總體結構圖如圖1所示。

由圖1可知，實現該系統的主要節點為無線通信終端，其分為主節點和從節點，一般系統中會配置一個主節點，根據泵站設備數量配置若干個從節點，主從節點采用Lora無線通信技術，內部采用自定義應用協議進行通信。多個從節點采集到的泵站設備狀態信息匯聚到主節點，由主節點統一預處理接收數據，然后發布給標準第三方系統使用。

無線通信終端主節點通過Modbus協議為第三方系統平臺實現接入接口，一般作為Modbus從站運行，根據第三方系統需要配置為Modbus RTU模式運行;而從節點通過Modbus協議采集泵站變頻器運行狀態信息以及下發操作指令，作為Modbus主站運行，由于泵站變頻器或者軟啟一般支持RS485接口，所以從節點采用Modbus RTU模式運行。

2系統設計

為了保證該系統能夠應對復雜的運行環境，在通信終端設備的開發中，其軟件和硬件設計都要充分考慮其可靠性問題[2]。該系統總體上遵循模塊化的設計思路，并將功能分散到各個模組中進行實現[3]，單個組件的失效不會影響其他設備或者功能的正常運行。

2.1 硬件電路

由意法半導體公司推出的STM32系列單片機，采用專為嵌入式應用設計的ARM Cortex-M內核，具有高性能、低成本、低功耗的顯著優勢，同時具有豐富的外設資源，在功耗和集成度方面均有不俗的表現[4]。內核采用ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法;支持最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口。

基于以上顯著優勢，本系統采用STM32系列單片機中的STM32F103RET6進行開發，其片上資源和外設控制器能夠滿足本系統開發需求，硬件電路只需增加必要的緩沖和驅動電路即可。

2.2 軟件設計

由于工業控制場合對系統實時性和可靠性要求較高，尤其是任務調度和執行周期的確定性要求更為嚴格。在遠程監控系統軟件設計過程中，根據要完成的任務劃分為多個線程，采用嵌入式實時操作系統進行線程調度，從而滿足工控系統的苛刻要求。

2.2.1 RT-Thread實時操作系統

RT-Thread是一款主要由中國開源社區主導開發的開源實時操作系統（許可證GPLv2），其是最簡潔、優雅的開源操作系統之一，且已經建立了較為成熟的上下游生態[5]。RT-Thread不僅僅是一個單一的實時操作系統內核，也是一個完整的應用系統，其包含了實時、嵌入式系統相關的各個組件：TCP/IP協議棧，文件系統，libc接口，圖形用戶界面等。相較于Linux操作系統，RT-Thread體積小，成本低，功耗低、啟動快速，除此以外RT-Thread還具有實時性高、占用資源小等特點，其易裁剪，易擴展，適用于不同檔次的產品，大大增加軟件的可復用性，提升開發的效率，非常適用于各種資源受限（如成本、功耗限制等）的場合。

該監控系統采用RT-Thread操作系統，充分發揮其多線程調度優勢，利用生態系統中成熟的組件，縮短軟件開發周期，增強軟件可重用性和可維護性。

2.2.2 Modbus軟件設計

作為工業應用中非常成熟的現場總線協議，Modbus獲得了廣泛的應用，大部分現場設備均支持該協議。本系統中的泵站設備由變頻器驅動，型號為深川S350，配有隔離通信擴展卡，支持RS-485數據傳輸，通信協議為Modbus RTU。

本系統中的數據采集器作為Modbus主站運行，采集S350變頻器的運行狀態、監控參數、故障信息、功能碼參數，并且能夠向變頻器發送操作命令、設定運行頻率、改寫功能碼參數等。該任務主要由threadModbusPoll工作線程完成，在RT-Thread操作系統下，開啟用戶線程的方法為：

rt_thread_init（&thread_ModbusPoll， "MBMasterPoll"， threadModbusPoll，

RT_NULL， thread_ModbusPoll_stack， sizeof（thread_ModbusPoll_stack）， thread_ModbusPoll_Prio，5）;

rt_thread_startup（&thread_ModbusMasterPoll）;

總體上來看，在該線程中，首先完成通信端口的初始化，然后使能相關端口，最后啟動Modbus主站的輪詢工作，在輪詢時，需要用戶按照變頻器通信手冊提供的寄存器列表調用相應的API完成。該部分的軟件工作流程如圖2所示。

2.2.3 Lora通信設計

Lora模塊配置信息表，Lora通信采用E22-400T30S拳新一代Lora無線模塊，基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片的無線串口模塊[6]，工作在410.125-493.125MHz頻段，其傳輸距離遠，速度快，并且功耗低，支持空中喚醒、無線配置、載波監聽、自動中繼、通信秘鑰等功能，支持分包長度設定[7]。其參數配置如表1所示。

2.2.4 變頻器連接與設置

現場泵站設備由變頻器進行驅動，本系統選擇的變頻器為深川S350系列變頻器，這是一款高性能矢量變頻器，可用于異步電機和永磁同步電機的控制，因此電機控制性能明顯提高。該變頻器同時支持端子控制、手動控制和通信控制等工作模式，在該遠程泵站監控系統中，主要采用通信控制方式。

變頻器接線端子上的RS-485通信接口與無線通信主節點的通信端口進行連接[8]，即數據線A接A，B接B，GND接GND，一般來說，每臺變頻器都會單獨接入到無線通信主節點中。變頻器的軟件通信參數設置為：波特率115200，數據位8位，校驗位無，停止位1位，同樣的，無線通信主節點的通信參數也要設置為相同的屬性。實際工作過程中，變頻器通信的數據點位如表2所示，其中的數據點既包括變頻器上傳的狀態參數，也包括遠程下發的控制指令。

2.3 上位機設計

為了直觀、形象地展示監控系統數據和運行狀態，最大限度地方便工程技術人員查詢、操作、配置監控系統參數，本系統配置一臺觸摸屏，型號為TK6071iP。該觸摸屏為寬輸入電壓范圍10.5～28VDC，800×480 TFT LCD，LED背光燈，內建儲存內存及萬年歷，達到IP65面板防護等級，具備RS-485接口，最大通信速率可達187.5K，內置電源隔離保護。

該觸摸屏可對泵站進行遠程集中監控，能夠對工作電壓、電流、運行狀態等參數進行連續監控，并能夠泵站進行成組或單獨操作。數據通信均通過Modbus協議實現觸摸屏與無線通信終端主節點之間的通信。

3 運行效果

按照系統運行要求，將無線通信終端主節點、從節點、觸摸屏進行正確連接后，對照變頻器通信數據點表，配置寄存器地址，能夠通過觸摸屏上位機界面上查看當前各個遠程泵站運行參數和狀態，并能夠通過觸摸屏下發控制命令，遠程實現泵站的啟停操作，系統運行穩定，參數傳輸可靠，控制命令下發準確。

4 結論

實踐表明，提高遠程監控系統的自動化、信息化水平，可以顯著提高成套裝備的可靠性和可維護性。多泵站遠程監控系統作為一個典型代表，通過引入嵌入式實時操作系統RT-Thread，借助于其多任務處理優勢，通過智能化、網絡化的控制技術，增強系統的可靠性、可維護性。現場運行結果表明，本系統運行穩定，完成了預期的設計目標和任務，為實現遠程泵站監控系統信息化和智能化提供了技術支撐。

參考文獻

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[8]李通，韓建萍，魏誠.基于STM32電氣控制器硬件設計[J].山西能源學院學報，2020，33（4）：100-102.

收稿日期：2020-05-08

▲基金項目：天津市教委科研計劃項目（2019KJ156）。

作者簡介：杜石雷（1988—），男，河北保定人，研究生，講師，研究方向：網絡化控制技術與系統。

Design of Remote Monitoring System for Multi-pump Station Based on RT-Thread Real-time Operating System

DU Shilei1， LIU Jiwei1， LIN Kao2

（1. Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology， Tianjin? 300380;

2. Automisun （Tianjin） Technology Co.， Ltd.， Tianjin? 300401）

Abstract：In order to realize the monitoring and operation of pumping station under special environment， this paper designs a set of remote monitoring system for pumping station.The system is developed based on the RT-Thread real-time operating system， and the nodes transmit data through Lora wireless communication， and use the standard Modbus protocol to collect pump station data to achieve status detection and operation control.After the actual field operation test， the system is stable and the data transmission is normal， indicating that the scheme is feasible and has certain practical promotion value.

Keywords： RT-Thread; remote monitoring; Lora wireless transmission