基于STM32及NB-IOT的超聲跟蹤水位儀設計

栗克國，李志飛，劉瑞恒

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津300456；2.天津水運工程勘察設計院，天津300456）

水位測量是模型試驗和工程應用中最重要的一項工作，在河道、航道、港池、水槽等模型試驗中，實時精確的水位數據的模型試驗需要的基本參數，也是模型試驗過程控制的重要依據之一。傳統的模型水位測量儀器，如探針水位儀、跟蹤式水位儀、電容式水位儀、壓力式水位儀、浮子式水位儀、超聲水位儀等一般都不能同時滿足實時、精確及高可靠性要求[1]。應用于原型觀測的水位測量設備，如雷達水位儀、氣泡水位儀等，不僅尺寸體積較大難以應用在模型試驗，而且測量精度亦難以滿足模型試驗需要。

隨著技術進步，水位儀作為水位測量工具，越來越向著高精度、高可靠性、智能化、無線化方向發展。

NB-IOT 技術是物聯網技術的一種，其專注于低功耗廣覆蓋、是一種可在世界范圍內廣泛使用并推廣的新技術。具有功耗小、連接點多、覆蓋面積廣、傳輸速率低、消耗成本低、易于優化架構等特點，在車聯網、智慧水利、智能家居等領域應用中嶄露頭角[2-3]。

結合模型試驗水位測量需求及現有設備特點，本文設計了基于STM32 及NB-IOT 的超聲跟蹤式水位儀，通過滾珠絲杠帶動超聲傳感器的結構，將滾珠絲杠和超聲傳感器聯合使用，在保證短距超聲傳感器采集精度的基礎上，使用滾珠絲杠擴展總體測量量程，實現高精度較大量程的模型試驗水位自動測量。通過引入NB-IOT 模塊，實現了水位數據的無線傳輸和多臺設備的無線組網。測試表明，本傳感器測量精度可達0.2 mm，能夠滿足模型試驗高精度水位數據采集需求。

1 系統原理

超聲跟蹤水位儀，包含以STM32F103C8T6 MCU為核心的控制單元、以集成式步進電機及滾珠絲杠為核心的運動單元、以UNCK_9114 為前端傳感器的測量單元、以NB 模塊為核心的通信單元等，產品結構如圖1所示。

圖1 產品結構圖Fig.1 Product structure diagram

應用時，將水位自動測量儀安放在待測水體上方，控制單元控制步進電機帶動導向桿及超聲傳感器向下運動，并實時讀取超聲傳感器采集數據和滑塊的位置數據，當水面到傳感器的距離達到傳感器量程2/3 時，關停步進電機，并以傳感器采集到的原始值加上滑塊到水位儀零點的距離作為當前水位值進行輸出。在連續測量過程中，不斷監測并計算當前水位值及水位變化率，MCU 微控制器根據水位變化動態調節點擊運動，保證傳感器到水面距離在傳感器有效量程內。

2 硬件設計

傳感器的硬件原理框圖如圖2所示，以STM32F103C8T6 為主運算控制器，UNCK_9114 為超聲傳感器，步進電機為執行單元，外擴電源管理、NB 通信、OLED 顯示、Flash 存儲、鍵盤等功能。

圖2 硬件原理框圖Fig.2 Hardware block diagram

2.1 控制單元設計

控制單元以STM32F103C8T6 MCU 為核心，通過外圍電路實現2 路RS485 接口，1 路RS232 接口，1 路SPI 接口Flash 存儲，1 路OLED 接口，2 路數字量輸出，3 個鍵盤接口，1 個數字量輸入接口，1路電池電壓監測，1 個電源控制接口。

系統設計支持鋰電池供電，通過DCDC 模塊進行電壓轉換，實現更高效率電源管理。

控制單元的2 路RS485 接口，1 路接步進電機，用于控制電機運動，1 路預留為對外通信端口。

1 路RS232 接口，與UNCK_9114 超聲傳感器接口連接，用于讀取超聲傳感器狀態及數據。

1 路SPI 接口與Flash 存儲器連接，用于存儲儀器配置信息及水位信息。

1 路OLED 接口用于連接OLED 顯示屏，顯示儀器狀態及實時數據。

兩路數字量輸出接口，其中1 路連接外部指示燈，通過不同燈光狀態指示儀器運行情況，1 路為內部指示燈，指示詳細運行狀態。

3 個鍵盤接口，組成組合式鍵盤，實現人機交互功能。

1 個數字量輸入接口，用于連接觸水信號指示器，輔助判斷水位計探頭距離水面距離。

1 路電池電壓監測接口，用于監測系統電量；1個電源控制接口，用于實現系統按鍵操作開關機功能。

圖3為控制單元MCU 部分電路圖。

圖3 控制單元MCU 部分電路圖Fig.3 MCU circuit diagram of control unit

2.2 運動單元設計

集成式步進電機位于儀器頂端，通過聯軸器與滾珠絲杠連接，可帶動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠上滑塊可在絲杠帶動下上下移動，滑塊上固定有導桿，導桿下端安裝超聲傳感器，至此，超聲傳感器可在電機帶動下經由絲杠和導桿上下移動。

為保證滑塊在設定范圍內移動，在滾珠絲杠上端和下端分別安裝上限位和下限位，分別與電機控制器的對應端口連接。

一體式步進電機為一種將控制器、驅動器及電機集成在一體的一體化設備，其支持RS485 或CAN總線控制，支持ModBus 通信協議，具有參數設置、運動控制、狀態監測、報警等多種指令，可實現定步長、定速度、定距離運動控制。根據多次試驗，選擇STM42 系列485 總線步進電機，選擇步距角1.8°，工作電流1.7 A，靜力矩3.8 kg·cm。工作時選擇32細分。

滾珠絲杠選擇1205 規格滾珠絲杠，外徑12 mm，導程5 mm。

根據步進電機特性，步進電機控制誤差不丟步情況下不超過1 個步距角，經過滾珠絲杠轉換，則運動單位的定位精度為5 mm/200=0.025 mm，考慮安裝時控制絲杠與地面垂直，偏差不超過1°，則由于安裝引起的相對誤差約為tan1°=0.0175=1.75%，則運動系統的精度可表示為0.025 mm×（1+0.0175）≈0.0255 mm。

本次設計的高精度水位儀，設計精度0.2 mm，運動機構定位精度為0.0255 mm，運動機構誤差占允許誤差的12.75%，滿足設計要求。

圖4為運動單元3D 側視圖。

圖4 運動單元3D 側視圖Fig.4 3D side view of motion unit

2.3 測量單元選型

為了達到0.2 mm 的精度指標，在傳感器選型中，重點考慮系統精度指標，鑒于水位變化較快，需要同步考慮傳感器相應頻率。

經過試驗，堡盟公司UNCK09T9114 傳感器具備30 mm～200 mm 測量范圍，重復精度0.1 mm，分辨率0.1 mm，響應時間7 ms，聲波頻率380 kHz，內置溫度補償。

為驗證其實際精度，在實驗室對2 個傳感器進行靜態水位穩定性試驗，試驗時長24 h，環境溫度25 ℃±2 ℃，每10 min 采集1 次數據，共計采集144組數據，2 個傳感器數據偏差如圖5所示。

圖5 超聲傳感器穩定性試驗數據Fig.5 Stability test data of ultrasonic sensor

從圖中數據可以看出，24 h 內傳感器數據略有變化，最大變化量0.1 mm，短時段內數據變化量0.03 mm，與標稱精度一致。

2.4 通信單元設計

儀器設計2 種通信方式，內部通過跳線選擇采用何種方式，一種是通過RS485 口與上位機通信，一種是使用NB 模塊將數據傳輸到網絡云平臺上。

通信模塊選用上海移遠通信公司BC95 模塊，其外形尺寸為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，其集成UART 端口方便與MCU 連接，支持低功耗模式。

2.5 外圍模塊電路

Flash 存儲器選用GD25Q32 存儲器，通過SPI口與MCU 通信。

顯示屏選用中景園電子2.8 寸256×64 OLED模組，具有功耗低、對比度高，使用方便等優點。

供電部分采用12 V 成組鋰電池供電，通過DCDC 模塊提供步進電機需要的24 V 電源，使用ASM1117-3.3 穩壓芯片為傳感器提供3.3 V 電源。

3 軟件設計

系統軟件使用Keil uVision5 集成開發環境，使用C 語言開發，采用模塊化設計方法設計，主要包括系統初始化、水位檢測、水位跟蹤控制、人機交互、狀態顯示更新、數據通信、數據采集存儲等功能模塊。

3.1 主程序流程

軟件主流程如圖6所示，系統上電后，首先進行系統自檢和初始化，從Flash 讀取儀器配置參數，并根據參數設置儀器狀態，初始化完成后控制電機向上運動到上限位，重新標記儀器零點，然后循環調用水位跟蹤控制算法控制電機運動，處理串口響應事件、鍵盤事件、存儲、處理屏幕顯示等。

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

3.2 水位跟蹤控制流程

水位跟蹤控制是高精度超聲水位儀能否正常工作的核心模塊，核心思想是通過實時獲取傳感器距離水面高度判斷當前水位變化情況，根據水位變化率決定是否啟動電機調節，保證在水位大幅度波動過程中保持水面到傳感器探頭距離在傳感器有效量程范圍內，從而擴展儀器測量范圍。

實際應用時，定義Adjust_motor（u16 water_now，u16 water_last，u32 motor_now，u32 motor_last）函數實現水位跟蹤控制功能，該函數中，根據4 個可變參數（傳感器當前數據，傳感器上次數據，電機當前位置，電機上次位置）控制電機運動。

該模塊主要流程如下：

（1）比較當超聲讀取數據是否在調節啟動閾值內，如果進入控制閾值，則進入流程2；

（2）比較電機位置變化，判斷電機是否處于運動過程中；如果電機運動中，則跳轉到5，否則進入流程3；

（3）根據當前水位與上一次水位計算水位變化速率，根據變化速率調節電機運動距離、運動速度參數；根據水位變化方向設置電機運動方向；

（4）根據3 計算的參數，控制電機運動；

（5）返回1 繼續閉環循環。

3.3 定時器中斷服務設計

使用Timer2 作為閉環控制定時器，完成傳感器數據讀取及水位跟蹤算法計算，并控制電機執行相應動作。

3.4 NB 通信設計

NB 通信設置為透明傳輸工作方式，使用AT 指令配置目標地址及參數。

4 試驗及分析

為驗證儀器精度，選用2 臺樣機分別進行測試，在玻璃水槽內進行比對試驗，以SCM60 水位測針作為標準器，分別以10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm 6 個水位值進行比對測量。測量數據如表1、表2所示。

表1 1 號精度試驗數據Tab.1 Accuracy test data of #1

分析表1及表2數據，兩個樣機比對誤差均在0.1 mm 以下，儀器精度滿足實際要求。

表2 2 號精度試驗數據Tab.2 Accuracy test data of #2

5 結語

本文通過軟硬件設計，研制了一種基于STM32及NB-IOT 的超聲跟蹤水位儀，通過機械跟蹤方式擴展高精度超聲傳感器量程，集成NB-IOT 技術實現數據的無線傳輸，給模型試驗水位采集提供了一種新的測量方式，具有較大的實用價值。