基于物聯網的智能流量計設計

牛弘毅 宋浩楠 李浩 劉浩 杜曉鈺

(揚州大學電氣與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225000)

流量測量早在古代就已經應用非常廣泛了,尤其是在水利工程和城市供水方面發展成果顯著。傳統的流量設備普遍采用人工實時抄錄的方式,并且人工控制流量設備的關斷,使用范圍有限,成本高昂。針對以上問題,設計了智能流量計系統。本項目基于周正富等人的研究成果,將繞流式流量計的傳感測速單元作為本項目的傳感單元,通過MSP430F149 單片機將其流量數據送入M5311 模塊,實現手機電腦實時監測與控制。同時依舊可以在主控制屏上對流量設備進行監測與控制,模塊化程度高,大大降低了人工成本和設備安全性風險。

1 整體結構與流程

本系統由流量數據采集器和終端控制單元兩部分組成,流量數據采集器采用壓差式流量傳感器測量流量信息。壓差式流量傳感器的主要包括標準節流裝置、引壓管路、壓差變送器三部分。通過引壓管路將標準節流裝置進水口和出水口兩端的壓強引到壓差變送器之中,由壓差變送器來計算出相應的水流量數據,并以4-20mA 電流信號的形式輸出。再通過I/V 信號調理模塊,將4-20mA 電流信號轉換成0-3.3V 電壓信號輸出給單片機,進行進一步的處理,工作示意圖如圖1 所示。終端控制單元采用OneNET 云平臺,通過M5311 芯片,將單片機與終端網絡進行物聯,實現對流量設備的終端監測和控制。同時,主控制器配備按鍵模塊和顯示模塊,防止終端設備發生故障時,可以實現工作人員實時抄錄流量數據和關閉流量設備。工作示意圖如圖2 所示。

圖1 流量數據采集器示意圖

圖2 終端控制單元示意圖

用戶在網頁端點擊打開設備(或者工作人員直接打開設備),主控制器將流量設備測得的流量數據傳入服務器,當服務器接受到的數據值大于設定閾值,服務器發出警報顯示,并下發命令關閉流量設備。

2 項目總體設計

2.1 硬件設計

根據設計流程,其設計的總框圖如圖3 所示。

圖3 系統設計框圖

控制器采用MSP430F149 單片機MSP430F149,其內部集成了60KB Flash 代碼存儲器、2KB RAM、兩個16 位計時器、48 個I/O 引腳、兩個異步串行通信接口,12 位A/D 轉換器等。擁有超低功耗,掉電保護等許多優異的性能。

顯示模塊既要滿足顯示流量,又要滿足顯示模塊使用過程中的各種反饋信息,綜合各種因素,選擇LCD12864 液晶顯示模塊,它有以下幾個明顯的特點：首先是成本不高,而且顯示范圍相對比較大,滿足設計要求；其次就是它可以結合帶有的字庫,可以直接顯示漢字,這樣在使用時無需編碼即可顯示漢字,大大提高了使用的方便性。

電流轉電壓模塊采用XY-ITOV 電流轉電壓模塊,其擁有溫度漂移小、線性度好、穩定性高,精確度高等優點。

終端監測模塊采用OneNET 云平臺搭載M5311 芯片。OneNET 云平臺是一個中國移動公司開發的開放性物聯網平臺,其廣泛用于創建高效、穩定和安全的物聯網絡。面向設備,OneNET 云平臺適配多種網絡環境和常見傳輸協議,提供各類硬件終端的快速接入方案和設備管理服務。M5311 芯片是中移動公司目前推出的NB-loT 新款模塊,其模塊在指令上有UDP、TCP、LWM2M、MQTT 協議上的支持,接入OneNET 云平臺穩定可靠,簡單方便。

2.2 數據終端監測的功能實現

2.2.1 AT 指令

本系統的終端服務我們采用AT 指令實現。通過串口調試模塊發送AT 指令來控制移動臺(MS)的功能,與GSM 網絡業務進行交互。主控制器端將AT 指令發送給運營商,根據實際情況返回相應的數據。

AT+CSQ 作用是查詢信號,如果注冊網絡成功會有信號產生,最大31,如果信號小于10,說明當前網絡不佳。

AT+CGATT?是查詢注冊網絡情況,如果注冊成功,會返回1,如果失敗,返回0。

AT+MIPLCREATE 作用是模組側設備創建。

AT+MIPLADDOBJ 指令作用是訂閱Object 組配置。AT+MIPLADDOBJ=0,3200,1,"1",0,1,在本步驟中,添加了訂閱Object 組配置。在登錄平臺時,訂閱的Object 信息將會上傳到OneNET 平臺,注冊鑒權通過后,平臺會對所有被訂閱的Object下發OBSERVE 消息。

AT+MIPLDISCOVERRSP 指令作用是訂閱Resource 參數配置。訂閱后的Resource 資源,在登錄成功后,將在OneNET 平臺的資源管理頁面中呈現。

AT+MIPLOPEN=0,3000,30 作用是模組側發起登錄請求。上述指令中,3000 代表本次注冊成功后的存活時間(單位為秒),30 代表登錄超時時間(單位為秒)。在該時間內如果模組還未接收到平臺響應,模組會上報登錄失敗的通知。

2.2.2 設備連接

本系統創建的產品均基于LwM2M協議。當M5311 芯片開機并順利連接到云平臺后,使用云平臺提供的SDK 中的接入設備的LwM2M連接報文,并與平臺上的對應產品的對應設備連接。

若連接成功,則可以再OneNET 云平臺上看到設備在線的顯示圖,圖4。

3 數據測試結果

圖4“在線”顯示圖

在流量計數據測量中,單片機將流量計中的數據一方面上傳給顯示模塊,進行智能數顯；另一方面將流量數據通過單片機傳送到M5311 模塊上,同時上傳到OneNET 云平臺。在云平臺上可以實時地觀測到數據的變化,進行監測與控制。

通過在云平臺上時間段的選擇,可以調出相應時間的流量數據,方便工作人員分析數據,減小因為流量計故障而產生的系統安全問題,圖5。

圖5 顯示裝置顯示圖

4 結論

通過系統測試,基于物聯網的智能流量計系統可以穩定、快捷、高效、精確、實時地顯示流量數據,并且OneNET 終端設備可視化強,方便對流量數據的有效管理與監測。通過較為成熟的物聯網技術,有效節省了人力物力,是物聯網技術與傳統工業計量的一次實踐。