基于嵌入式的恒壓供水設備遠程控制器的設計與實現

陳文鳳，歐幸福

（佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引言

恒壓供水廣泛應用于農村灌溉、消防用水、城市供水調水、防洪抗澇和工業生產等各個領域。當前恒壓供水設備主要依賴于專人監管和控制，存在信息化水平較低、管理效率低、人工勞動強度大和管理成本巨大等問題，特別是中小型恒壓供水設備群，站址分散、距離較遠、地處偏僻、自然環境惡劣，很難實現集中監控管理，已不適應現代社會發展的要求[1]。目前，國內外有關大中型泵站的狀態數據、遠程監控技術基本成熟，形成了完備的數據采集、傳輸和智能監控方案，但是基于嵌入式技術對恒壓供水設備的遠程智能監管的成熟研究不多[2]。隨著物聯網和嵌入式技術的研究和應用，為恒壓供水設備的智能遠程監管提供了借鑒作用。本文基于STM32嵌入式技術和GSM無線通信技術設計了恒壓供水遠程監控系統，實現對恒壓供水設備的環境數據采集、設備運行狀態數據監測、數據遠程傳輸、供水設備智能控制與人機交互等功能，具有極高的應用價值。

1 系統總體設計

1.1 功能需求

恒壓供水遠程控制器通過軟件、硬件相結合，實現供水設備的狀態監測、運行控制和智能管理的一體化[3]。主要功能如下：

1）運行參數功能。①對儲水罐水位、泵站設備、輔助設備的運行參數進行采集和檢測，包括電機電壓、電流、頻率等電量參數，以及水閥通關狀態、流量、水位高度、真空度和水壓力等非電量參數。②具備人機交互功能，用戶可通過遠程瀏覽器、現場顯示器展示各類狀態參數，也可利用鍵盤、人機界面操作和設置各種參數。

2）設備操作功能。根據設計的設備控制算法和預設的運行參數對水泵、備用泵、變頻器和輔助電氣設備實現遠程自動控制、現場自動控制和現場手動控制三種功能，包括泵組的啟動停止、泵組切換運行、水壓設置、流量調節和頻率設置等。

3）預警報警功能。由于供水設備安全性能、可靠性要求高，在設備發生故障或異常時，控制器通過現場聲光形式報警，同時通過遠程控制端、短信等形式向管理人員實時發送報警信號。

1.2 系統架構設計

恒壓供水設備遠程控制器分為現場控制器、服務器和用戶終端三個部分[4]。現場控制器負責控制泵站機組運行、監控水壓、流量、攝像頭和水箱等各類傳感器的參數，通過通訊接口、TCP/IP協議與應用服務器傳輸現場設備數據。應用服務器上運行與現場泵站控制器通信的數據采集程序、與用戶終端通信的Web程序、監視程序和數據服務器，負責設備數據采集、處理和存儲，以及分發來自用戶終端的命令和響應用戶請求命令。用戶可使用如手機、平板或個人電腦等智能終端訪問遠程應用服務器，查看設備數據、發送設備控制命令等。遠程控制系統框圖如圖1所示。

圖1 遠程控制系統框圖

1.3 現場控制器整體設計

現場控制器以嵌入式微控制器STM32為核心，負責對各類閥門、傳感器、供電等現場設備參數進行監測，對電機、變頻器及其配套閥門進行控制?，F場控制器采用模塊化設計理念，各功能模塊由嵌入式微控制器進行單獨控制，實現每個模塊檢測和控制功能的并行管理。功能模塊之間通過串口通信協議進行通信，具有單獨的通信地址?，F場控制器系統框圖如圖2所示。

圖2 現場控制器系統框圖

2 現場控制器硬件設計

2.1 主控模塊硬件電路設計

現場控制器是采用ARM公司的STM32系列微控制器作為主控制器，該控制器具備性能先進、價格低廉、功率較低等優點。其外圍電路主要包括電源電路、晶振電路和復位電路等。STM32微控制器外圍電路如圖3所示。

圖3 STM32微控制器外圍電路

2.2 串口電路設計

考慮到供水設備的工作環境、通信穩定性和通信距離等情況，在現場控制器中，串口通信主要與其他功能模塊進行通信，傳輸傳感器、設備等狀態傳輸，實現控制命令的傳輸。串口電路采用MAX485專用隔離收發器模塊，具備RS485通信芯片、干擾隔離、電氣隔離和總線保護等多功能，體積小、集成度高。 由嵌入式微控制器的I/O引腳直接控制MAX485芯片的發送器／接收器使能引腳2。高電平時，MAX485芯片數據接收有效，微控制器可以接收來自串口總線的數據字節：低電平時，MAX485芯片數據發送有效，微控制器可以向串口總線發送數據字節。RS485串口電路如圖4所示。

圖4 RS485串口電路

2.3 網絡通信接口

現場控制器通過以太網接口、采用TCP/IP協議與服務器端進行數據通信，接收用戶命令，上次設備參數和運行狀態數據。采用基于Microchip的ENC28J60芯片設計的以太網模塊，ENC28J60集成了MAC控制器和PHY收發器，可以很方便的通過SPI在微控制器上實現以太網擴展，穩定性高。以太網通信接口電路如圖5所示。

圖5 以太網通信接口電路

2.4 電源電路設計

現場控制器電路由一個24V直流穩壓電源供電，可提供最大為2.0A的直流電流，主要為電氣開關、蜂鳴器、指示燈和其他水泵設備供電。另外，5V直流電源可為微控制器及其外圍電路提供電源。直流電源電路如圖6所示。

圖6 直流電源電路

2.5 GSM無線通信模塊電路設計

GSM模塊主要是用來建立無線信道，接收和發出短消息，單片機系統用來控制GSM模塊，并且對收到的短消息信息進行解析并執行。本文設計的無線通信模塊采用Siemens公司的TC35通信模塊，該模塊包括GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、存儲器、電源模塊（ASIC）、ZIF連接器和天線接口等六個部分。該模塊具有40個功能引腳，可分為電源、數據輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制等五類。GSM模塊電路如圖7所示。

圖7 GSM模塊電路

3 軟件實現過程

圖8 主程序流程圖

現場控制器主程序采用模塊化設計，實現流程如下：1）采集儲水罐水位、出水管水壓等情況，判斷是否需要啟停水泵。2）若啟停水泵，則通過RS485串口向DO模塊發送數字量輸出，對水泵機組、電機與閥門進行開關控制。3）不斷輪詢供電電壓/電流，AI模塊的出水口壓力、DI模塊的出水流量等設備、傳感器數據，并分析判斷，若數據出現異常則停止水泵和外圍設備。4）最后檢查用戶按鍵輸入、通過以太網接口向服務器上傳設備數據，在現場液晶顯示器上顯示設備參數等。主程序流程圖如圖8所示。

4 結束語

本文設計基于STM32嵌入式微控制器的恒壓供水設備遠程控制器，采用模塊化設計理念，接口多樣，功能獨立，性能穩定可靠，充分利用以太網實現水泵設備的遠程數據上傳、異常報警和遠程操作等功能，可廣泛應用到偏遠地區、農業灌溉、小區供水等恒壓供水設備的現地、遠程控制等領域，實現水泵設備的“無人值班”管控目標，提高設備管理的信息化水平，具有較好的市場推廣和應用價值。