基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)+STM32單片機(jī)的泵站智能巡檢系統(tǒng)

本文介紹的泵站智能巡檢系統(tǒng)是由華北水利水電大學(xué)李琛設(shè)計(jì)開發(fā)完成。該系統(tǒng)改變了常規(guī)的專人值守的工作模式，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程智能巡檢工作，最終達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、提前預(yù)測(cè)等功能。
泵站智能巡檢系統(tǒng)以 STM32 單片機(jī)為主控制器，采用 M-BUS 總線作為泵站狀態(tài)信息的傳輸總線。針對(duì)信息傳輸過程中受線路的損耗及外界干擾導(dǎo)致總線連接的設(shè)備減少、傳輸誤碼率高等問題，對(duì) M-BUS 總線接口進(jìn)行自適應(yīng)改進(jìn)；通過 Multisim 軟件進(jìn)行電路仿真并驗(yàn)證其電路的可行性，仿真結(jié)果顯示改進(jìn)的自適應(yīng)電路提高總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性及傳輸效率。根據(jù)泵站智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用需求，結(jié)合機(jī)智云平臺(tái)完成了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)。通過 WiFi 無線通信模塊將采集的泵站狀態(tài)信息通過單片機(jī)串口上傳至云端服務(wù)器或APP 應(yīng)用軟件；可在 APP 查看泵站的工作運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)泵站遠(yuǎn)程信息化的管理，達(dá)到管理模式的創(chuàng)新，提高工作人員的管理水平和工作效率。

01

引 言

水利工程發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是泵站自動(dòng)化。不管是農(nóng)業(yè)灌溉，還是水資源的調(diào)用，泵站都扮演著重要作用。一個(gè)完整的泵站巡檢系統(tǒng)包括兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是對(duì)泵站狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，另一個(gè)是實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。良好的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)整個(gè)泵站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將泵站的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地傳送至主機(jī)管理端，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出相應(yīng)的判斷，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

現(xiàn)如今，水利系統(tǒng)信息化建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但自動(dòng)化效率并不高，僅能達(dá)到 50% 的運(yùn)行效率，這歸根于泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的一些不足：大多數(shù)泵站采用傳統(tǒng)控制方式，只能實(shí)現(xiàn)短距離本地泵站巡檢，不能統(tǒng)籌管理控制；泵站設(shè)備與上位機(jī)通信沒有固定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備之間通訊協(xié)議多樣化；缺少運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與收藏；故障自診斷功能不完善等。為此，本設(shè)計(jì)的泵站自動(dòng)巡檢系統(tǒng)集合了高精度傳感器、單片機(jī)、M-BUS 總線、互聯(lián)網(wǎng)、智能算法等技術(shù)，主要目的是為工作人員減輕負(fù)擔(dān)，減少人為操作事故，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)狀態(tài)，改善半自動(dòng)化巡檢方式。

02

系統(tǒng)需求分析

泵站的巡檢系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站的運(yùn)行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息傳輸至終端設(shè)備，便于監(jiān)控泵站運(yùn)行狀態(tài)的健康情況。泵站運(yùn)行的監(jiān)測(cè)往往需要有專門的工作人員常駐在泵站所在地，人為巡檢泵站的各個(gè)機(jī)組工作狀態(tài)；而泵站大多分布在偏遠(yuǎn)郊區(qū)且相隔較遠(yuǎn)，不方便實(shí)時(shí)得知泵站運(yùn)行信息。為了改善對(duì)泵站運(yùn)行監(jiān)控的不及時(shí)，設(shè)計(jì)泵站智能巡檢系統(tǒng)。2.1 系統(tǒng)需求分析根據(jù)泵站的運(yùn)行原理與結(jié)構(gòu)組成，對(duì)研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)需要解決的實(shí)際問題，展開泵站智能巡檢系統(tǒng)的需求分析研究。泵站的智能巡檢系統(tǒng)按需求可分為五大部分：

• 對(duì)泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境信息進(jìn)行獲取
• 根據(jù)獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)泵站的工作狀態(tài)
• 整個(gè)系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，有故障設(shè)備時(shí)應(yīng)在不影響其他設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，及時(shí)報(bào)警反饋上級(jí)
• 具有完善的管理功能，對(duì)設(shè)備運(yùn)行有良好的記錄形式

可在遠(yuǎn)程設(shè)備對(duì)泵站進(jìn)行管理控制

為了滿足泵站巡檢系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)采用以 M-BUS 通信總線為傳輸總線的有線采集系統(tǒng)，結(jié)合智能硬件設(shè)備，向泵站發(fā)送巡檢命令，穩(wěn)定收發(fā)泵站運(yùn)行狀態(tài)；并通過無線通信模塊將信息上傳給云端服務(wù)器，滿足對(duì)泵站的遠(yuǎn)程控制工作，圖1為泵站巡檢需求架構(gòu)圖。圖1 泵站巡檢需求架構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

泵站的智能巡檢系統(tǒng)是指在智能終端可實(shí)時(shí)查看泵站的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的健康運(yùn)行情況，通過命令控制自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作；同時(shí)具有異常報(bào)警、狀態(tài)分析及歷史存儲(chǔ)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)對(duì)泵站的需求統(tǒng)計(jì)，此系統(tǒng)需具備泵站信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及對(duì)泵站的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)等功能來完成對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)的智能巡檢工作。

2.3 系統(tǒng)總體介紹

為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的預(yù)期功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件部分和軟件部分組成，通過軟硬件結(jié)合協(xié)調(diào)完成對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管。泵站巡檢系統(tǒng)的硬件部分由對(duì)微控制器選型設(shè)計(jì)、巡檢功能設(shè)計(jì)、供電模塊設(shè)計(jì)、顯示設(shè)備設(shè)計(jì)、各類傳感器設(shè)計(jì)及通信電路設(shè)計(jì)等組成；硬件連接泵站設(shè)備獲取泵站信息并進(jìn)行傳輸控制。軟件部分主要包括控制程序的設(shè)計(jì)、通信協(xié)議的設(shè)定、遠(yuǎn)程終端的設(shè)計(jì)等，通過程序調(diào)用相輔相成發(fā)揮智能硬件作用。

1）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)泵站狀態(tài)巡視監(jiān)測(cè)的功能，泵站狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)數(shù)據(jù)采集層、主機(jī)控制層、遠(yuǎn)程管理層。圖2為泵站巡檢硬件結(jié)構(gòu)圖。現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)采集層主要是由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器對(duì)泵站的的工作環(huán)境、泵站機(jī)組的工作溫度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的參數(shù)傳輸送數(shù)據(jù)分析層進(jìn)行分析處理。圖2泵站巡檢硬件結(jié)構(gòu)圖主機(jī)控制層是指對(duì) M-BUS 傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行處理后，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)有故障發(fā)生時(shí)，具有報(bào)警提醒功能；根據(jù)運(yùn)作情況控制泵站從機(jī)設(shè)備的啟停、泵站機(jī)組的電壓電流、泵站水位閥門的開關(guān)；主機(jī)控制層外接顯示設(shè)備，工作人員可根據(jù)顯示情況直觀觀測(cè)到運(yùn)行情況，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)；建立主機(jī)與 WiFi 模塊通信信道，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。遠(yuǎn)程管理層是由遠(yuǎn)程移動(dòng)設(shè)備、云端服務(wù)器構(gòu)成的，主要是將接收到的泵站狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至遠(yuǎn)程終端設(shè)備上，工作人員可隨時(shí)隨地通過互聯(lián)網(wǎng)登錄軟件查看泵站運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、故障診斷、維修安排，方便對(duì)泵站運(yùn)行進(jìn)行管理。

2）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循軟件工程設(shè)計(jì)的模塊化思想，將泵站巡檢系統(tǒng)的功能模塊化，分為數(shù)據(jù)采 集通信模塊、無線通信模塊、故障報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、移動(dòng)應(yīng)用終端等組成，圖3為軟件結(jié)構(gòu)圖。圖3軟件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集通信模塊主要是建立獲取現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)的泵站運(yùn)行狀態(tài)之間的協(xié)議，定時(shí)下發(fā)詢問命令，檢測(cè)泵站機(jī)組是否在線工作，如若在線工作，在接收到詢問信息后，自動(dòng)給主機(jī)回送在線命令，并發(fā)送采集的設(shè)備信息。

無線通信模塊是負(fù)責(zé)建立 MCU 與云服務(wù)器的通信，為遠(yuǎn)程監(jiān)控泵站狀態(tài)充當(dāng)橋梁作用。無線通信保證移動(dòng)客戶端的泵站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器，同時(shí)向MCU 發(fā)送故障診斷數(shù)據(jù)請(qǐng)求和控制命令。

故障報(bào)警模塊是將獲取的泵站狀態(tài)與設(shè)定的正常值進(jìn)行對(duì)比分析，如若不超過標(biāo)準(zhǔn)值，表示設(shè)備正常運(yùn)行；若不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍，啟動(dòng)報(bào)警裝置，提醒工作人員檢查泵站運(yùn)行設(shè)備。

泵站狀態(tài)數(shù)據(jù)分析處理層是將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。如若泵站的部分信息超過正常運(yùn)行值，將引發(fā)故障報(bào)警，及時(shí)提醒工作人員監(jiān)測(cè)；同時(shí)控制中心接收到故障值信息，啟動(dòng)控制設(shè)備對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。數(shù)據(jù)處理層還包括對(duì)泵站信息的存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和查詢功能。

移動(dòng) APP 的建立是通過機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與 APICloud 連接搭建的，為了方便實(shí)時(shí)查詢泵站數(shù)據(jù)，便于遠(yuǎn)程診斷。

03

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

泵站巡檢系統(tǒng)的硬件部分由從機(jī)和主機(jī)構(gòu)成。主機(jī)主要負(fù)責(zé)接受從機(jī)數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)上傳及控制命令的收發(fā)，要求同時(shí)與多個(gè)從機(jī)相通訊，實(shí)時(shí)性要好，因此要選用處理芯片速度要快；從機(jī)部分主要是接受水位、流速、壓力、轉(zhuǎn)速等多個(gè)傳感器采集到的信息，由于傳感器采集的信號(hào)為模擬電信號(hào)，單片機(jī)不能直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行讀取，對(duì)采集信號(hào)做 AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理后將傳感器信息上傳給主機(jī)。泵站需要連接多個(gè)傳感器，要求控制芯片要有足夠的外部接口。硬件系統(tǒng)的健康運(yùn)行是保證整體系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵一步。3.1泵站巡檢系統(tǒng)的主機(jī)硬件模塊

主機(jī)系統(tǒng)的功能是接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并分析數(shù)據(jù)狀態(tài)；在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)泵站運(yùn)行狀態(tài)信息不符合正常工作狀態(tài)時(shí)，可以發(fā)送報(bào)警功能；將泵站信息實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控顯示屏上，并且通過 WiFi 模塊把數(shù)據(jù)上傳至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要功能電路圖如圖4所示。

圖4 主機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖1）主機(jī)控制模塊

主機(jī)的核心控制模塊采用單片機(jī) STM32F10x 系列，根據(jù)幾款型號(hào)的STM32F10x 系列微處理器進(jìn)行對(duì)比，由于STM32F103 系列芯片具有處理速度快、內(nèi)部存儲(chǔ)空間大,可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)多等優(yōu)點(diǎn)。最終選用STM32F103RCT6 型號(hào)芯片。圖5為 STM32F103RCT6 原理圖。圖5STM32F103RCT6 原理圖2）電源模塊

主機(jī)要驅(qū)動(dòng)人機(jī)交互設(shè)備、無線 WiFi 模塊等設(shè)備工作，需要用到 5V 和 3.3V 電壓。圖6是主機(jī)電源模塊，24V 外部電源經(jīng)過 Lm2575-5 降壓芯片后降壓到 5V，5V 電壓經(jīng)過 AMS117-3.3 后將電壓降到 3.3V 供給微控制器、存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘模塊使用。圖6主機(jī)電源電路

3）存儲(chǔ)模塊

從機(jī)將采集到的設(shè)備信息發(fā)送給主機(jī)，并存儲(chǔ)在主機(jī)存儲(chǔ)芯片，在查詢歷史記錄時(shí)便于查詢到相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)及操作指令。系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊選用的 AT24C256 芯片，具有對(duì)硬件的寫保護(hù)功能及對(duì)軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能。圖7 所示為 AT24C256 電路圖。圖7 AT24C256 電路圖

4）無線通信模塊

要實(shí)現(xiàn)泵站智能巡檢系統(tǒng)的主機(jī)與智能終端設(shè)備的通信，便要借助無線通信。?？紤] WiFi 模塊具有高帶寬，傳輸快，可擴(kuò)展性強(qiáng)，普及度高，實(shí)際應(yīng)用方便、成本低等性能優(yōu)點(diǎn)，便采用ESP8266 WiFi 模塊作為網(wǎng)絡(luò)通信方式。此芯片的原理圖如圖8 所示。 圖8 ESP8266原理圖

ESP8266 WiFi 模塊通過串口與 STM32 主機(jī)芯片進(jìn)行通訊，RXD 為接收數(shù)據(jù)引腳，連接單片機(jī) TX 引腳，從單片機(jī)中獲取數(shù)據(jù)；TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，連接單片機(jī) RX 引腳，向單片機(jī)發(fā)送接受數(shù)據(jù)返回值。

5）觸控顯示設(shè)備

在泵站智能檢測(cè)系統(tǒng)中，由于需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)多，普通的數(shù)碼管與 LED 點(diǎn)陣屏不 能實(shí)現(xiàn)直觀顯示，系統(tǒng)采用 TJC8048X570_011C 的 5 英寸電容顯示屏作為顯示設(shè)備。下圖9為顯示屏的實(shí)際圖。使用該串口顯示屏需要注意不要重復(fù)供電，重復(fù)供電容易超出工作電壓范圍，造成燒毀芯片。圖9 顯示屏電路板3.2 泵站巡檢系統(tǒng)的從機(jī)硬件模塊

從機(jī)電路主要是由多個(gè)功能相同的從機(jī)構(gòu)成的，主要功能是監(jiān)測(cè)泵站的運(yùn)行水位情況、流速狀態(tài)、電壓情況、機(jī)組溫度等運(yùn)行情況及外設(shè)控制設(shè)備，需用到多路傳感器及開關(guān)電路。1）從機(jī)的 MCU 核心模塊

從機(jī)負(fù)責(zé)獲取泵站的狀態(tài)信息及對(duì)設(shè)備的控制，要連接泵站的多個(gè)傳感器與控制設(shè) 備。當(dāng)從機(jī)接受到主機(jī)的命令后，依次將采集到的各泵站的狀態(tài)信息發(fā)送到主機(jī)上。由于一些采集信號(hào)為模擬信號(hào)，需要將信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)連接需要用到串口或者 IIC 端，單片機(jī)需要具備這些功能。主機(jī)選用的 STM32F103 單片機(jī)芯片同樣滿足從機(jī)需求，便采用同樣的芯片。

2）電源模塊

為了保證各模塊的供電電壓統(tǒng)一采用外部 24V 電源供電。從機(jī)電源電路如圖 3-7 所示。從機(jī)設(shè)備連接的泵站控制閥和輸入 4~20mA 的電流轉(zhuǎn)換芯片需要 12V 工作電壓，采用 LM2575 芯片；而信號(hào)轉(zhuǎn)換器（AD 轉(zhuǎn)換）和單片機(jī)工作需要對(duì) 12V 電壓再降壓，采用 AMS1117 使 12V 電壓轉(zhuǎn)為 5V 和 3.3V 供單片機(jī)工作。

圖10 從機(jī)電源電路3）傳感器類型

泵站運(yùn)行中需要監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，下面對(duì)幾種監(jiān)測(cè)傳感器展開介紹。

• 電磁流量計(jì)

采用 53W-1HHC0B1 電磁流量計(jì)來監(jiān)測(cè)泵站工作的流量信息，當(dāng)測(cè)量導(dǎo)電液體通過時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)得出液體流量，流量計(jì)可雙向測(cè)量使用，具有設(shè)備自我監(jiān)測(cè)、診斷功能。

• 液體傳感器

本系統(tǒng)選用投入式液位傳感器 WL-400F，該傳感器采用防腐材料設(shè)計(jì)，具有耐水性能良好、高精度測(cè)量芯體，防彎折設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。投入式液位傳感器技術(shù)指數(shù)如表1所示。

表1液位傳感器技術(shù)參數(shù)

• 繼電器

繼電器是通過低電平去控制高電平的的電子器件，通過控制泵站中繼電器的開關(guān)情況進(jìn)而控制泵站的運(yùn)行狀態(tài)；繼電器設(shè)備在電路中還具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可防止線路被燒壞。圖11為繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

圖11繼電器電路3.3 M-BUS 通信電路

通過根據(jù) M-BUS 傳輸特性設(shè)計(jì) M-BUS 自適應(yīng)接口電路，使其能自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)總線電流、電壓變化，降低傳輸過程中線路的干擾，通過電路仿真軟件 Multisim 對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1）M-BUS 從機(jī)通訊接口

M-BUS 從機(jī)接口主要是連接 M-BUS 總線，將單片機(jī)采集到的泵站運(yùn)行狀態(tài)信息通過從機(jī) M-BUS 接口傳送到 M-BUS 總線發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送采集命令，從機(jī)接受到命令后，有序的將采集的泵站信息發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)與從機(jī)之間的通信功能通過 TSS721A 芯片采用對(duì)應(yīng)的 M-BUS 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，而M-BUS 的通訊主要是通過總線收發(fā)芯片 TSS721A 來實(shí)現(xiàn)。如圖12 所示是從機(jī)通信電路。圖12 從機(jī)通信電路2）M-BUS 主機(jī)通信電路

M-BUS 主機(jī)要實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的相互通信及向從機(jī)發(fā)送命令功能。主機(jī)接收從機(jī)信號(hào)，需要將從機(jī)電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，再將電壓變化轉(zhuǎn)化為邏輯電平信號(hào)。

• 主機(jī)發(fā)送電路

主機(jī) MCU 與主機(jī)發(fā)送電路通過 TXD 串口連接，為了防止電路干擾，將 MCU 與發(fā) 送電路之間連接光耦進(jìn)行電路隔離。圖13 為主機(jī)下行發(fā)送電路。圖 13M-BUS 主機(jī)發(fā)送電路

• 主機(jī)接收電路

主機(jī)接收電路是通過電流調(diào)制接收從機(jī)發(fā)送給主機(jī)數(shù)據(jù)的電路，將總線電流的變化調(diào)制為邏輯電平信號(hào)，但主機(jī)串口能接受的信號(hào)格式為 3.3V 和 0V 的邏輯電平信號(hào)，故在接收電路中要將電流調(diào)制情況轉(zhuǎn)換為邏輯電平電路。主機(jī)接收電路如圖14。

圖14 M-BUS 主機(jī)接收電路

3）驗(yàn)證電路

將 M-BUS 上行接收電路在 Multisim 軟件中做電路仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)采樣電阻兩端的電壓和比較器輸出的電壓做對(duì)比分析，圖15為搭建的 M-BUS 上行仿真電路。圖15M-BUS 主機(jī)接收電路的仿真圖

由圖16采集的電壓波形圖可知，根據(jù)電壓波形圖分析得出采樣電阻兩端的邏輯電平和比較器輸出端的邏輯電平保持一致，通過電路仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的主機(jī)接收電路具有電流轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)的功能，驗(yàn)證電路的可行性。圖16電壓波形分析圖

04

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主從巡檢設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)泵站智能巡檢系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)是在 KEIL 軟件上開發(fā)編程的。其程序開發(fā)界面如圖17所示。泵站巡檢系統(tǒng)的開發(fā)語言選用 C 語言。完成編譯與調(diào)試后的程序代碼，選擇仿真器類型燒寫至主控芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)模塊中，點(diǎn)擊“下載”就可以完成下載程序。采用 KEIL 對(duì)單片機(jī)編程的步驟如圖18。圖17KEIL 編程環(huán)境 圖18 單片機(jī)編程開發(fā)流程

1）系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6 作為泵站巡檢系統(tǒng)的主控芯片，要求能實(shí)現(xiàn)以下功能：接受泵站現(xiàn)場(chǎng)的各傳感器采集泵站的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)水位、機(jī)組溫度等狀態(tài)信息，對(duì)采集信息進(jìn)行分析判斷處理，并向下發(fā)送執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令等。為了方便后期對(duì)泵站巡檢系統(tǒng)的維護(hù)與功能擴(kuò)展，在軟件的設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)方式。圖19為系統(tǒng)模塊功能。

圖19 系統(tǒng)功能模塊在對(duì)泵站進(jìn)行巡檢監(jiān)測(cè)時(shí)，首先對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，并測(cè)試各模塊間的通信功能；在從機(jī)設(shè)備接受到主機(jī)發(fā)送的巡檢請(qǐng)求命令后，將執(zhí)行采集命令，并將采集的信息做判斷后，發(fā)送給主機(jī)，如若工作的狀態(tài)有異常現(xiàn)象，將啟動(dòng)報(bào)警模塊，提醒泵站運(yùn)行狀態(tài)異常。圖20為系統(tǒng)主程序圖。圖20 系統(tǒng)主程序圖

2）系統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)

泵站的主機(jī)與從機(jī)收發(fā)信息均需要一定的協(xié)議，系統(tǒng)采用的是 M-BUS 總線通信，就要遵循 M-BUS 的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。接口電路接收到主機(jī)發(fā)送到從機(jī)的命令，根據(jù)數(shù)據(jù)域的指令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。數(shù)據(jù)域中的協(xié)議命令如表2所示。圖21為通信程序流程圖。表2泵站系統(tǒng)的操作指令圖21通信程序流程圖3）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就需要獲取各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，而運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包含多種信號(hào)形式，很難自動(dòng)測(cè)量采樣，而且MCU 能識(shí)別的信號(hào)僅為數(shù)字信號(hào)，要對(duì)各種狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，為了使系統(tǒng)能對(duì)泵站運(yùn)行參數(shù)直接采樣獲取，需先將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模式。數(shù)據(jù)采集信號(hào)軟件流程如圖22所示。

圖22數(shù)據(jù)采集流程圖4）報(bào)警程序設(shè)計(jì)

根據(jù)不同情況劃分報(bào)警事件類型，有通信線路故障、運(yùn)行狀態(tài)超出閾值、設(shè)備故障無法正常啟動(dòng)等多種故障形式。當(dāng)發(fā)生故障事件時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到故障信號(hào)，發(fā)出警告命令提醒工作人員泵站運(yùn)行有故障發(fā)生，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，便于使用智能算法根據(jù)大數(shù)據(jù)分析故障問題。圖23為故障報(bào)警程序流程圖。圖23故障報(bào)警程序流程圖5）歷史查詢程序設(shè)計(jì)

根據(jù)存儲(chǔ)的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)可以對(duì)泵站運(yùn)行進(jìn)行建模分析，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)、判斷，提前做好防御工作。歷史記錄模塊管理設(shè)計(jì)人性化，工作人員可以直接登錄工號(hào)操作，點(diǎn)擊查詢、保存等就可以直接進(jìn)行相應(yīng)操作，方便直觀。查詢的內(nèi)容可以看到事件時(shí)間、事件狀態(tài)、故障原因、故障點(diǎn)和操作人員信息等信息。

6）WiFi通信設(shè)計(jì)

在程序中設(shè)定，當(dāng)單片機(jī)或 WiFi 模塊向?qū)Ψ桨l(fā)送請(qǐng)求命令時(shí)，接受命令方須返回響應(yīng)指令；設(shè)備上電初始化完成后，STM32 單片機(jī)發(fā)送按鍵命令用來選擇 WiFi 入網(wǎng)模式，有 Airlink 和 SoftAP兩種接入云端模式?？刂泼钍?WiFi 模塊發(fā)送的控制單片機(jī)的指令；心跳命令是用來監(jiān)測(cè) WiFi 模塊與單片機(jī)是否正常通信的命令；在程序中設(shè)置連續(xù) 220ms 單片機(jī)未接收心跳命令，則判定通信失敗，需要重啟 WiFi 模塊。圖24 為 WiFi 通信流程圖。 圖24WiFi 通信流程圖為了實(shí)現(xiàn)硬件與機(jī)智云平臺(tái)的相互通信，須在 WiFi 模塊上植入通訊固件 GAgent，并通過 Gizwits 協(xié)議接入機(jī)智云云端服務(wù)器。GAgent 具有良好的通訊性能且不受平臺(tái)的約束，被廣泛用于設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云端、APP 之間做通信橋梁。GAgent 固件燒錄進(jìn)ESP8266 模塊中，實(shí)現(xiàn)與云端的通信，可以將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云端數(shù)據(jù)上傳至 APP 端，也可以將云端數(shù)據(jù)通過 WiFi 模塊傳送至單片機(jī)供設(shè)備使用。

4.2 顯示設(shè)備的設(shè)計(jì)

觸摸顯示設(shè)備采用的是 TFT 彩色觸控液晶屏，該顯示設(shè)備可以顯示文字與圖片，但是需要對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行取模，通過取模軟件，將漢字轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 16 進(jìn)制字模，LCD 顯示函數(shù)調(diào)用字模數(shù)組即可顯示對(duì)應(yīng)的漢字。

該顯示設(shè)備與單片機(jī)通過十六進(jìn)制碼完成通信，單片機(jī)獲取到的泵站信息要傳送給顯示裝置，需要遵循顯示語言規(guī)則，要在 KEIL 軟件上編輯系統(tǒng)程序語言，將采集到的泵站狀態(tài)顯示到相應(yīng)的狀態(tài)欄中。圖25 為串口顯示界面

圖25串口顯示界面

05

移動(dòng)端APP設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，通過移動(dòng)終端對(duì)泵站狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制泵、閥的啟停，實(shí)現(xiàn)泵站的現(xiàn)代信息化運(yùn)行，達(dá)到管理模式創(chuàng)新。當(dāng)泵站運(yùn)行出現(xiàn)疑難故障問題時(shí)，還可以請(qǐng)專家根據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。云服務(wù)器作為一種新生技術(shù)順勢(shì)而生。云服務(wù)器不僅能夠滿足開發(fā)者對(duì)服務(wù)器的需求，而且所需要的的項(xiàng)目成本低廉，有現(xiàn)成模塊可以直接拿來使用，加快了對(duì)軟件的開發(fā)速度。像機(jī)智云平臺(tái)是智能硬件開發(fā)與云服務(wù)平臺(tái)，可以面向個(gè)人、企業(yè)開放使用。機(jī)智云還提供 APP 與微信小程序的 SDK，只需要在該基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，即可以對(duì)移動(dòng)端應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)。

5.1 APP開發(fā)

泵站巡檢系統(tǒng)的移動(dòng)端 APP 是機(jī)智云平臺(tái)與 APICloud 兩個(gè)軟件相結(jié)合完成的，機(jī)智云平臺(tái)提供自助式的智能硬件開發(fā)和開放的云服務(wù)器，包括機(jī)智云端、機(jī)智云設(shè)備端和 SDK，如圖26所示。APICloud 平臺(tái)通過服務(wù)的方式將 API 提供給開發(fā)者，幫助開發(fā)者降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，迅速實(shí)現(xiàn)云端一體化。圖26 機(jī)智云平臺(tái)的基本構(gòu)造機(jī)智云平臺(tái)作為國(guó)內(nèi)最大的智能硬件自主開發(fā)和云服務(wù)平臺(tái)主要涉及設(shè)備、云服務(wù)和手機(jī)三大部分。機(jī)智云中 WiFi 設(shè)備包含兩個(gè)部分，一部分 GAgent 的作用是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它是設(shè)備數(shù)據(jù)、云服務(wù)和手機(jī)之間的數(shù)據(jù)橋梁；另一部分 MCU 的作用是直接與硬件設(shè)備的通訊。

對(duì)于設(shè)備接入云端服務(wù)器有兩種方式，本系統(tǒng)采用的是 MCU 方案，主要對(duì)該方案展開研究，機(jī)智云的接入導(dǎo)向如圖27所示。將傳感器采集到的狀態(tài)信息通過總線方式發(fā)送至 MCU，智能硬件獲取的信息通過 MCU 串口協(xié)議連接的通信模塊 WiFi 發(fā)送至云端 API，WiFi 模塊 GAgent 部分的作用就是發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖27MCU 與云端通信

5.2 APP 開發(fā)流程

對(duì)于泵站巡檢系統(tǒng)來說，要在移動(dòng)端 APP 上實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢，對(duì)運(yùn)行設(shè)備的控制管理，對(duì)歷史狀態(tài)的查詢，警示提醒功能等。實(shí)現(xiàn)的第一步需要把存儲(chǔ)在MCU 中的傳感器采集到的泵站狀態(tài)信息通過 WiFi 設(shè)備的 GAgent 功能發(fā)送至云端。首先將實(shí)體設(shè)備建立 Product Key，創(chuàng)建新的檔案，系統(tǒng)自動(dòng)生成 Product Key，如圖28創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖28 創(chuàng)建設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)

在產(chǎn)品檔案中創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用，添加設(shè)備端數(shù)據(jù)通信口，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸形式，圖29為傳輸形式的選擇。圖29選擇硬件連接方案在基本信息中找到 Product Key 對(duì)應(yīng)的 Product Secret 的密鑰，復(fù)制粘貼到 MCU 開發(fā)中的空白處，使得傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)與 MCU 連接，生成源代碼。將代碼下載至本地，打開下載的文件復(fù)制 Gizwits 文件夾到泵站巡檢系統(tǒng)的 KEIL 文件夾中，植入與機(jī)智云平臺(tái)的連接代碼，如圖30。圖30 生成的硬件 MCU 連接代碼

創(chuàng)建硬件設(shè)備端與機(jī)智云云端服務(wù)器的連接后，要進(jìn)行 APP 的開發(fā)設(shè)計(jì)，良好的APP 軟件可以更方便更直觀的觀測(cè)到泵站的狀態(tài)，帶來良好的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也會(huì)發(fā)揮出設(shè)備的價(jià)值，逐漸豐富對(duì)泵站的智能化設(shè)計(jì)。在 APICloud 平臺(tái)上，植入機(jī)智云提供的 APP 源碼，具體操作如下：

步驟一：在 GitHub 下載機(jī)智云提供的 APP demo 工程源碼。

步驟二：將源碼導(dǎo)入到 APICloud 中。在 APICloud 中每個(gè)應(yīng)用都有自己的 ID，demo 程序中沒有 ID，需要新創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，獲取 ID。

步驟三：將下載的 demo 中的源碼程序移植到新創(chuàng)項(xiàng)目中，參數(shù)配置為自己賬戶的數(shù)據(jù)。新創(chuàng)項(xiàng)目中的 config.xml 是 APICloud 提供的配置文件，包括 ID、賬戶、模塊引入。每個(gè)項(xiàng)目的 config.xml 都不相同。

• 步驟四：將項(xiàng)目同步到云端。

步驟五：登錄 APICloud 平臺(tái)，找到 APICloud SVN 提交的項(xiàng)目，并進(jìn)入項(xiàng)目管理頁(yè)面。

步驟六：APICloud 會(huì)根據(jù)源碼中使用到的模塊自動(dòng)添加相應(yīng)的模塊，再通過對(duì)模塊庫(kù)搜索 GizwifiSDK，手動(dòng)添加機(jī)智云 SDK。

步驟七：此時(shí)的源碼中還需要添加安卓和 IOS 的 APPID 和 APPSecret，并設(shè)置機(jī)智云創(chuàng)建的 ProductKey，需要從機(jī)智云官網(wǎng)中獲取。

步驟八：點(diǎn)擊菜單欄進(jìn)行云編輯，選擇運(yùn)行平臺(tái)，等待編譯接受打包完成，下載安裝包進(jìn)行安裝，安裝成功便可通過 APP 進(jìn)行測(cè)試。在手機(jī) APP 開發(fā)過程中，可以根據(jù)不同的需求在源碼中添加模塊；還可以通過 UI 界面設(shè)計(jì)，使得 APP 界面變得美觀整潔。

06

系統(tǒng)整體測(cè)試

6.1 WiFi 無線模塊的調(diào)試WiFi 模塊作為泵站巡檢信息無線傳輸階段，對(duì)整個(gè)智能遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣具有決 定性作用。通過閃爍 LED 燈來測(cè)試 WiFi 硬件電路的收發(fā)性能。圖31為 WiFi 電路測(cè)試圖。

圖31 WiFi 硬件電路通信測(cè)試

完成對(duì) WiFi 硬件電路功能測(cè)試后，需測(cè)試 WiFi 模塊的網(wǎng)絡(luò)通信功能。將 WiFi 模塊通過串口與 PC 機(jī)連接，在 PC 機(jī)打開串口調(diào)試助手和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上創(chuàng)建 UDP 協(xié)議，通過串口調(diào)試助手發(fā)送指令通過串口控制 WiFi 模塊，完成 UDP協(xié)議配置并向指定的 IP 地址和端口號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)。圖32為 WiFi 通信測(cè)試時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的配置與數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)顯示。

圖32WiFi 通信測(cè)試

6.2 系統(tǒng)整體性能調(diào)試

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)泵站智能巡檢系統(tǒng)做整體性能測(cè)試。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，僅對(duì)泵站的水位、溫度、電壓、電流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝液位傳感器、溫度傳感器和電表采集實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)信息，采集到的信息經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后通過 M-BUS 總線發(fā)送至主機(jī)控制端，再由主機(jī)控制端的 WiFi 模塊上傳至機(jī)智云云端。在移動(dòng)設(shè)備上登錄巡檢 APP 可實(shí)時(shí)查看泵站巡檢的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控泵站狀態(tài)的要求，減少專人值守泵站的工作方式，提高泵站狀態(tài)的預(yù)警管理模式。下圖33、圖34為實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下模擬泵站巡檢系統(tǒng)，圖35為設(shè)計(jì)的 APP 與巡檢系統(tǒng)通信圖。圖33實(shí)驗(yàn)室模擬泵站工作環(huán)境圖34巡檢采集過程圖35 APP 通信測(cè)試圖

通過對(duì)泵站智能巡檢系統(tǒng)的整體測(cè)試，顯示該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性通信功能，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以適用于長(zhǎng)時(shí)間泵站巡檢工作，減少人力浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置。

07

總 結(jié)

本文研究的基于 M-BUS 總線的泵站智能巡檢系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)搭建模型進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，其運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了巡檢系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。現(xiàn)對(duì)本文工作總結(jié)如下：通過確定數(shù)據(jù)傳輸和巡檢系統(tǒng)的總體方案，完成系統(tǒng)硬件搭建。對(duì)獲取泵站運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的方式進(jìn)行技術(shù)掌握后，選擇 M-BUS總線為傳輸總線。系統(tǒng)主控芯片選用 STM32F103 型號(hào)單片機(jī)，并搭建電源電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等外圍功能電路。對(duì) M-BUS 總線接口做了自適應(yīng)改進(jìn)，在總線傳輸過程中，通過調(diào)節(jié)接口電路中的反饋電阻實(shí)現(xiàn)電路的自適應(yīng)功能。同時(shí)，基于機(jī)智云平臺(tái)創(chuàng)建 APP，建立主機(jī)與 APP 之間的雙向通信模式。工作人員通過登錄移動(dòng) APP 賬號(hào)，可對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。