基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)設(shè)計

［摘 要］在STM32的基礎(chǔ)上，使用設(shè)計的新型閥體并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)。該系統(tǒng)的各種傳感器通信數(shù)據(jù)主要利用MQTT 協(xié)議通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的 Topic 機制來發(fā)布，并且可在手機第三方應(yīng)用程序?qū)崟r顯示以上功能，實現(xiàn)了以低電壓、小電流控制大流量的快速通斷，且無需電網(wǎng)供電，降低了遠程控制閥門使用成本，填補了遠程控制閥門技術(shù)的空白。測試結(jié)果證明，該設(shè)備能顯著提升農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，遠程控制火車自動上水等危險場景，有效節(jié)約了人力資源。

［關(guān)鍵詞］物聯(lián)網(wǎng)；STM32 ；閥體；結(jié)構(gòu)設(shè)計

［中圖分類號］TP391.44 ；TN929.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0140–03

對氣體、液體等資源進行輸送時，會運用到結(jié)構(gòu)復(fù)雜且控制繁瑣的設(shè)備，其中閥門發(fā)揮著重要作用。電動閥門一直是現(xiàn)代控制系統(tǒng)當中的主要執(zhí)行設(shè)備，在管道系統(tǒng)當中應(yīng)用廣泛，能夠切實發(fā)揮控制介質(zhì)流量的作用。但是電動閥門行業(yè)缺少智能化應(yīng)用，現(xiàn)有的控制閥一般只有控制流體通斷、流量大小的功能，不能滿足遠程、無電網(wǎng)電源控制閥的開關(guān)，以及大流量快速開關(guān)等應(yīng)用，比如農(nóng)業(yè)灌溉、沙漠綠化、高危工作、遠距離輸水等應(yīng)用場景。面向上述需求，文章設(shè)計了一種基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)，基于STM32，使用新型閥體，通過物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式設(shè)備及微信小程序等技術(shù)，實現(xiàn)了低電壓、小電流可遠程控制大流量的通斷，無需架設(shè)電力設(shè)施，填補了遠程控制閥門技術(shù)的空白。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于STM32 的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)，選用阿里云ECS 服務(wù)器（彈性計算服務(wù)）建立物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，使用EMQX 的MQTT 消息代理傳輸數(shù)據(jù)，MQTT 代理能接受MQTT 客戶端發(fā)送的消息，所有消息都被發(fā)布到一個地址，作為主題。客戶端能夠訂閱多個主題，并接收發(fā)布到每個主題的所有消息。通過Android Studio 開發(fā)智能手機第三方應(yīng)用程序，并根據(jù)阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器對應(yīng)用程序進行配置，使得第三方應(yīng)用程序能與服務(wù)器建立TCP 連接。之后將EC20 4G 模塊接入STM32 進行ProductKey、DeviceName、DeviceSecret 的參數(shù)配置，與云端服務(wù)器建立TCP 連接。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）該系統(tǒng)通過智能手機的第三方應(yīng)用程序，可對閥門的流通量進行監(jiān)控，實現(xiàn)智能化的閥門通斷控制。同時，在控制大流量通斷時，能夠迅速響應(yīng)，僅需1～2 s 就能執(zhí)行。

（2）該系統(tǒng)能實時監(jiān)測環(huán)境溫濕度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，經(jīng)過統(tǒng)計分析和存儲后，控制閥門的執(zhí)行動作，同時將預(yù)警信息推送至第三方應(yīng)用程序。用戶不需要到現(xiàn)場就能實時觀測到閥門的情況，也可自行定時設(shè)置閥門的通斷時間。

（3）通過本系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程控制，達到實時控制需求，降低了對時間及場地的限制，減少了人力資源的浪費，為人工操作提供了極大便利。

（4）基于STM32 的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)僅需24 V、13W 功率電源就能夠?qū)崿F(xiàn)長期供電，或使用太陽能板儲能電池，太陽能板吸收8 h 以上的光能，可供該系統(tǒng)15 d 的使用。這解決了傳統(tǒng)電動閥門對大流量閥體只能通過大功率電機進行控制、需要架設(shè)電力系統(tǒng)來維持工作、使用成本高的問題。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32模塊

STM32F103RCT6 采用Cortex-M3 內(nèi)核，是一款32 位的微處理器，擁有48 kB SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）、256 kB Flash、2 個基本定時器、4 個通用定時器、5 個高級定時器、5 個串口、2 個DMA（直接內(nèi)存訪問）控制器、3 個SPI、2 個I2C（集成電路總線）、1 個CAN 及3 個12 位的ADC，屬于大容量芯片類型，配置較高，完全滿足需求。其工作溫度為–40～85℃。STM32處理器具有睡眠模式、停機模式、待機模式3種低功耗模式，單片機在低功耗模式下喚醒時間可以達到微秒級。本設(shè)計中使用主控芯片中的UART 串口通信，通過AT 指令對EC20 4G 模塊進行控制聯(lián)網(wǎng)。STM32在本設(shè)計中還有自動控制系統(tǒng)的決策作用，通過智能控制程序，可以在不同參數(shù)情況下自動做出判斷，繼而自動控制閥門的通斷。

2.2 EC20 4G模塊

EC20 模塊是移遠通信公司研發(fā)的LTE Cat4 無線通信模塊，采用LET 3GPP Rel.11 技術(shù)，支持最大下行速率150 Mbps 和最大上行速率50 Mbps，同時在封裝上兼用移遠通信UMTS/HSPA+UC20 模塊以及移遠通信多網(wǎng)絡(luò)制LTE Cat3 模塊，其特點為散熱好，信息不易被抹除，更符合自動化的需求，成本低，功耗低，集成TCP/IP 協(xié)議棧。該模塊擁有2 個UART 接口、2 個NETLIGHT 接口、2 個ADC 接口、2 個SDIO 接口、1 個SIM 接口及1 個傳輸速率最高為480 Mbps 的USB2.0 高速接口，該模塊的尺寸為29.0 mm×32.0 mm×2.4 mm，供電范圍為3.3～4.3 V。在工作狀態(tài)下為避免設(shè)備與云端出現(xiàn)連接斷開現(xiàn)象，必須保持穩(wěn)定的電壓進行通信。選用該模塊是全球領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，該模塊可廣泛應(yīng)用于車載運輸、無線支付、智慧能源、智慧城市、無線網(wǎng)關(guān)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療健康及智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

2.3 溫濕度模塊

監(jiān)測溫濕度選擇采用DHT20溫濕度傳感器，模塊內(nèi)配置了1 顆全新設(shè)計的ASIC 專用芯片，是改良過的MEMS 半導(dǎo)體電容式濕度傳感元件和一個標準的溫度傳感元件。溫度量程范圍為–40～80℃，精度為±0.5 ℃， 濕度測量范圍為0～100%RH， 精度為±3%RH。AHT20 的供電范圍為2.0～5.5 V。使用STM32F103RCT6的GPIO 接口連接DHT20的I2C 接口后，能夠精確地將閥門周圍環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)實時采集并發(fā)送到系統(tǒng)。DHT20具有免標定、低功耗、高精度、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好及性價比更高的優(yōu)點，完全滿足智能閥門環(huán)境監(jiān)測的需求。

2.4 流通量模塊

液體流量傳感器模塊（以下簡稱“流通量模塊”）采用的是AFD2000。AFD2000 屬于卡門渦街水流量傳感器，該傳感器利用了卡門渦流定律，在流動的液體中存在柱狀障礙物時，會在下游產(chǎn)生交替旋渦，此時使用兩個超聲波檢測元件來檢測渦流的變化量大小并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103RCT6，計算出流量數(shù)據(jù)并發(fā)送至云端。AFD2000 通過RS485 接口與單片機連接。該傳感器具有安裝方便、運行穩(wěn)定、測量精確及耐用的特點，符合系統(tǒng)對流量監(jiān)測的需求。

2.5 閥門的設(shè)計

閥門的設(shè)計如圖1 所示。

本裝置可在4G 網(wǎng)絡(luò)、24 V 電壓工作環(huán)境下，通過電信4G 或5G 信號對控制閥進行遠程控制。且比傳統(tǒng)電控自動閥更加節(jié)能，可快速通斷，閥體結(jié)構(gòu)簡潔，易維護維修。

該閥體在本系統(tǒng)中的工作原理如下：該閥門初始工作狀態(tài)是關(guān)閉狀態(tài)，如圖1（b）電磁閥處于常開狀態(tài)，高壓連接口水壓通過管道壓力傳入活塞B 右側(cè)腔體內(nèi)，使活塞A、B 同時推向左側(cè)，使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；閥門開啟工作狀態(tài)如圖1（a），電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，管道失去壓力，在高壓連接口水壓傳入活塞左側(cè)腔體內(nèi)，使活塞3、4 同時推向右側(cè)，使閥門處于開啟狀態(tài)。活塞的材料選用45 號鋼時，對活塞進行有限元分析的強度校核結(jié)果如圖3 所示，滿足該系統(tǒng)對閥門使用需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 MQTT通信協(xié)議

本系統(tǒng)的服務(wù)器云端、戶端及設(shè)備端都是通過MQTT 協(xié)議進行通信。MQTT 是一個基于客戶端、服務(wù)器的消息發(fā)布/ 訂閱傳輸協(xié)議，其特點是輕量、開放、穩(wěn)定及易于實現(xiàn)。MQTT 協(xié)議最大的優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為遠程連接設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計。EC20 4G 模塊連接STM32F103RCT6后，通過Keil uVision5 的編譯與程序燒錄后，就能夠利用MQTT 協(xié)議將溫濕度和液體流量數(shù)據(jù)發(fā)送至云端對應(yīng)的主題。

3.2 智能控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)將溫濕度傳感器所檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行顯示，并使用if 判斷語句對數(shù)據(jù)獲取進行控制。時間間隔為每5 s 獲取一次。之后通過獲取數(shù)據(jù)用ifelse語句來控制閥的開關(guān)。

3.3 第三方應(yīng)用程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用Android Studio 來開發(fā)第三方應(yīng)用程序即智能手機App，選用原生開發(fā)，有獨立的源代碼，方便進行保存和優(yōu)化，假如出現(xiàn)漏洞，在修復(fù)和完善時也更加方便。同時，本系統(tǒng)在將來需要進行更新或換代時，由于是獨立的系統(tǒng)，所以可以自由進行升級。使用Android Studio 開發(fā)出來的App 能夠讓使用者更加省心、體驗感更好，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性更強，滿足系統(tǒng)功能需求。

4 實物仿真與測試

Unigraphics NX 是一款計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，針對使用者的設(shè)計和工藝需求，提供了經(jīng)試驗驗證的解決方案，為本系統(tǒng)提供了數(shù)字化模型。本系統(tǒng)的仿真模型如圖2 所示，主要由控制和閥門組成。

該系統(tǒng)在正常運行后，在阿里云平臺可以看到EC20 上傳的報文信息與各傳感器讀取的具體數(shù)值。經(jīng)過測試，系統(tǒng)在24 V、13 W 功率的條件下能夠穩(wěn)定運行，且控制閥的口徑為DN400時，液體流通量為3 L/min，通斷的響應(yīng)時間平均在1 s，所以該系統(tǒng)可以低電壓、小電流控制大流量的快速通斷，無需電網(wǎng)供電，填補了遠程控制閥門技術(shù)的空白。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計了一套基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門系統(tǒng)，實現(xiàn)了閥門的智能化和遠程控制功能。同時能通過網(wǎng)頁端和智能手機的第三方應(yīng)用程序監(jiān)測閥門的周圍環(huán)境。該系統(tǒng)僅需24 V、13 W 功率供電就能穩(wěn)定工作，降低了遠程控制閥的使用成本，減少了人力資源的浪費，解決了高危環(huán)境下需要人工進行實地操作的危險。在火車自動上水等需要閥門控制通斷的場景中擁有極高的應(yīng)用價值，填補了遠程控制閥門技術(shù)的空白。

參考文獻

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