基于水環境監測運行設計與應用

王德法 凡立超 吳虹 沈紅峰

摘? 要：文章從硬件設計方面來介紹如何實現基于STM32 VE芯片進行的水環境運行監測設計與應用，給出了水環境監控處理系統的硬件設計方案。

關鍵詞：硬件設計;低功耗;水位監測;微控制;電力數據采集

中圖分類號：U458.1 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0080-03

Abstract： From the aspect of hardware design， this paper introduces how to realize the design and application of water environment operation monitoring based on STM32 VE chip， and provides the hardware design scheme of water environment monitoring and processing system.

Keywords： hardware design; low power consumption; water level monitoring; micro control; power data acquisition

1 概述

根據電力具有大量無人值守電力隧道用戶的遠程綜合監控需求，展開深入調研，憑借不斷創新的理念以及豐富的監控業務整合經驗，通過加強計算機技術、數字化技術和信息技術的應用，實現用戶對前端無人或少人值守系統的綜合監控、集中管理，利用現有的網絡對前端的環境、周界防范等進行有效的監控和管理，大幅度提高了對前端監控的實時性、有效性，降低了人員及管理成本。因此根據市場需求和公司發展需要，決定推行電纜隧道水環境的研制計劃，提高公司電纜隧道水環境監測技術開發能力，推動該產品的大力發展。

2 水環境監測運行設計與應用基礎與依據

水環境自動控制系統就是將水位信號轉換為系統能處理識別的模擬量信號，MCU對這個模擬量信號進行處理分析并與設定閾值進行綜合對比，根據分析結果去控制交流接觸器，交流接觸器再控制一個水泵，并通過反饋原理實施監控水位積水情況達到水位自動控制的目的。水泵有各種各樣的工作方式，所以交流接觸器也有多種設計方案，這些電氣元件按照設計方案連接起來就是電氣控制箱。現有多種成熟的設計方案，如GKY1X單臺泵系統、GKY2X雙臺泵系統等等，在網上可以查到各種各樣的設計原理圖。水泵電氣控制箱是很常用的控制設備，工作可靠、使用壽命長。影響水位自動控制系統可靠性和使用壽命的關鍵因素是液位傳感器，就是將水位信號轉換為模擬量信號這一部分。現在主要有電極式、UQK/GSK干簧管式、光電式、壓力式、GKY和超聲波式等幾種方式。這些方式檢測原理不同，因而水位自動控制的原理也不同。我們采用投入式CYW11水位計來做水位監測傳感器并采用STM32 VE芯片作為數據處理芯片并通過4G通訊裝置將相關水位信息傳輸至相關工作人員。

3 工作模式

3.1 微處理器選擇

微處理器采用意法公司的STM32FVET6芯片該系列單片機在保持最佳超低功耗特性的同時，還提供了更優越的性能（最高頻率可達72 MHz）、更大容量的內置存儲器（高達512 MB Flash存儲器和256 KB SRAM）、此芯片具有較好的低功耗性能，保證功耗性能的同時又具有多種外部接口支持多路ttl、spi、usb等。提供整個系統的功能擴展性。

3.2 低功耗模式

低功耗運行共有睡眠模式、低功耗睡眠模式、待機模式、關斷模式等多種模式。

3.2.1 睡眠模式（sleep）

CPU停止工作，所有外設（peripheral）仍可以工作，使用中斷（interrupt）或者事件（event）進行CPU喚醒。

3.2.2 低功耗睡眠模式（Low-power sleep）

只有CPU時鐘被停止，當中斷（interrupt）或者事件（event）喚醒CPU之后進入低功耗運行模式（Low-powerrun）。

3.2.3 待機模式（Standby）

待機模式下將會使用BOR（brown-outreset）獲取一個最低的功耗。內核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運行狀態。進入待機模式后SRAM1和集訓期內容將會丟失，SRAM2的內容將保留。設備退出待機模式可以利用外部復位（NRST pin）、獨立看門狗（IWDG）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時鐘切換到8MHz的MSI。

3.2.4 關斷模式（Shutdown）

關斷模式下會獲取一個最低的功耗，內核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運行狀態。BOR（brown-out reset）不能使用。SRAM1、SRAM2和寄存器除了備份都會丟失。設備退出關斷模式可以利用外部復位（NRST pin）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時鐘切換到4MHz的MSI，喚醒時間只要5μs。

3.3 應用實例-基于水環境監測的新型電力設備運行狀態數據采集系統的設計與實現

3.3.1 本系統主要由模擬量與開關量采集模塊、通訊模塊以及上位機人機交互模塊組成，系統框圖如圖2所示。首先水位信號電壓、電流等模擬信號經信號調理電路調理后，經模數轉換器ADC轉換為數字信號，再由主芯片進行數據處理;開關量信號則通過I/O口輸入，主芯片通過中斷或查詢方式進行讀取。電力數據經采集處理后，由通訊模塊將數據發送通知至相關工作人員。

基于STM32芯片的新型電力設備運行數據采集裝置充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節約了硬件投資，利用STM32具有快速采樣的高性能ADC、先進的電源及時鐘管理、雙看門狗等功能，從而大大增強了系統的實時性與可靠性，精度顯著提高，同時功耗大為降低。

3.3.2 系統的硬件設計。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模擬量數據同步采樣并且具有多個USART串行通信接口，內置分數波特率發生器，發送與接收共用可編程波特率，最高達4.5Mbit/s，數據字的長度、停止位均可設置。此外，靈活的靜態存儲器控制器FSMC能夠通過同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便外部功能。

（1）模擬量采集部分采用高速處理外部電路配合主芯片同步采集處理12位ADC為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1μs，此外，多種轉換模式供選擇，支持DMA數據傳輸，ADC處理部分如圖3。

（2）系統設置相關I/O口為開關量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個外部中斷線上。開關量輸入電路如圖4所示。開關量信號由IN端口輸入，電容C與電阻R構成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號的毛刺，采用光耦合器TLP521實現現場開關量與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。如圖4。

（3）從低功耗設計理論依據的分析可以得出，電源電壓對系統的功耗影響最大， 而系統在高、低功耗狀態下使用不同的電源， 故系統中電源模塊的設計非常重要。因此電源系統采用了低功耗電源轉換芯片，對整體電路進行供電，此外穩定的電源、低紋波也是保證系統穩定低功耗運行的關鍵之一。并且電源部還設計有后備電源保障設備在異常情況的掉電時的應急處理，如圖5。

3.4 產品功能特點

3.4.1 報警閾值可配置化。控制器有兩路4-20ma或0-5v的標準模擬信號輸入通道，與現在水位傳感器連接，用于監測環境積水情況，所報警的閾值量程可結合現場實際情況通過上位機進行軟件配置，增強可變性。

3.4.2 傳感器量程可選1m、5m等多種量程，并支持IP68保護等級，精敏度達1cm。

4 結束語

本系統采用了水位監測、無線通訊低功耗技術，系統反應時間<1ms，能夠快速準確監測水位情況。利用現有的網絡對前端的環境、周界防范等進行有效的監控和管理，大幅度提高了對前端監控的實時性、有效性，降低了人員及管理成本。相信通過不斷完善和發展， 該系統能夠更好地適應今后的發展， 在生產和生活中發揮更大作用。

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