基于STM32的城市二次供水泵站远程监控系统

广州杰赛科技股份有限公司 陈龙飞

1.引言

随着终端设备信息化集成程度的不断提升，远程智能监控技术在工业控制领域的应用也越来越广泛，尤其是应用于远程数据采集、设备监控等方面。城市二次供水泵站主要为弥补市政供水管线压力不足，保证居住、生活在高层人群用水而设立的。通常，城市二次供水泵站内来自国内外厂家的设备大多价格昂贵且通信方式各异，城市供水泵房一般存在于地下室、偏僻居室内，泵房内变频柜、电机、水箱、供水管道等共存一室，而且室内环境潮湿、阴暗，所以，工作人员需要时刻掌握泵房内设备的运行状态，运营厂家投入大量人力、物力、时间进行研发，从而不断的增加产品成本，也间接也增加了用户的使用成本。因此我们需要开发一款针对城市供水泵房的低成本设备监测系统。

为实现对这些设备的高效监控，本文介绍了一种基于STM32单片机的泵站远程监控解决方案，方案充分利用STM32芯片的诸多硬件接口单元特点，综合GPRS、以太网的通信优点，设计出一套低成本、高可靠性、可配置具有多协议转换和控制功能的二次供水泵站远程监控系统。

2.系统功能

本系统的主要通过安装在二次供水泵站的监控终端，使用有线通信和无线通信相结合的传输方式，实现调度中心对二次供水泵站内重要设备、泵站内环境的远程监控，使调度中心能够实时掌控泵站运行状态。

2.1 应用框图

如图1所示：

图1 系统框图

2.2 功能特点

为应对泵房设备类型的多样性，监控终端具备多路模拟量输入、开关量输入、继电器开关输出、脉冲量输入采集功能，支持RS232/485通信，支持以太网通信，并配备有显示单元，用于城市供水泵站的室内环境参数监测及电气设备的运行监测与控制。

(1)设备监控

本系统中监控终端采用意法半导体公司生产的STM32系列单片机作为微控制器，充分利用了该型单片机的接口与功能单元，在保证稳定性情况下相比以往8位单片机大幅度提高了系统运作效率。泵站内各电气设备间数据通信与处理相互独立，互不干扰，监控终端对供水泵站内的变频柜、PLC控制柜等设备进行状态监控，并实时获取泵站内储水箱水位、管网压力、流量统计等信息，在漏水、漏电等事故发生后对机房相关设备自动断电。

(2)环境监控

监控终端对泵房环境的温湿度情况进行监测，实时传输泵房内各设备运行状况及有关数据信息到调度中心。调度控制中心可以对泵房设备的运行状态进行调控。由于城市供水泵房多部分建设于楼宇地下室、偏远地段，所以根据泵房所在环境位置的不同，本系统选择使用无线与有线两种通信方式相结合实现泵站与调度中心的通信。

3.监控终端设计

3.1 设计功能

监测终端具备多通道数据采集、无线通信传输、以太网数据传输、实时显示和功能参数组态配置等功能，主要由主控制模块、显示模块、无线通信模块、电源模块以及机箱外壳组成，用于城市供水泵站的室内环境参数监测及电气设备的运行监测与控制。

主控制板上设有参数存储芯片、数据存储芯片、以太网通信芯片、温湿度感应芯片等器件，具备多路模拟量输入、开关量输入、脉冲量输入和开关量输出通道，并支持以太网通信。

(1)模拟量采集功能用来监测供水管网的压力、水位等数据信息；

(2)开关量输入用于监测供水泵房的市电供应、浸水状态、电机运行、泵房门禁状态；

(3)脉冲量输入可用来采集以脉冲输出计数的流量计信息；

(4)开关量输出采用继电器隔离输出，用于控制灯光开关、泵房电机启动；

现在这条小路是这样走的：南池秦望村——后岭村岭顶(有天衣寺)——向左——上何山——沙滩——红墙下——水林剃头店门口上山到桃家山——桃红村溪坑沿口上山——鹅鼻山。

(5)模拟量输入、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入端口均支持功能组态；

(6)以太网通信口，支持TCP/UDP两种协议，可配置成Client/Server模式，实现数据的互联网传输，在无线信号无法覆盖的区域，比如某些地下泵房可使用网线将监测器接入互联网后连接到调度中心。

3.2 微控制器选型

本系统监控终端的微控制器采用ST公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103VC作为控制核心，CortexM3内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。该芯片最高主频可达到72MHz，具有256K字节的闪存以及48K字节的SRAM。STM32F103VC自带12位精度的ADC逐次逼近型模数转换器，各通道的转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，转换结果以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1s，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输。本系统采用定时器触发的同步注入模式，能够对多路信号进行同步采样。STM32F103VC具有3个通用同步异步收发器(USART)，2个通用异步收发器(UART)。

3.3 数据采集设计

监控终端的数据采集单元由模拟量采集、开关量采集两部分组成。

(1)模拟量采集

泵站设备数据输出接口的信号主要为工业通信使用的4-20mA电流信号，因此，首先要将其转换为满足STM32F103VC ADC输入范围的电压信号，以便进入ADC转换为数字量。电压信号输入到STM32的ADC模拟输入通道。

(2)开关量数据采集

(3)继电器控制输出

监控终端配备有继电器单元，通过大功率中继继电器，可以控制外部高压设备电源的开启与停止。

3.4 通信单元设计

两种通信方式：

GPRS通信：监控终端内配有支持GPRS的DTU，终端内数据控制器与DTU通过标准RS-232接口进行全双工通信。DTU内建TCP/IP协议，具有透明的TCP/UDP传输信道，提供工业标准的RS-232/RS-485接口，可直接与专业工控采集设备、专业的侦测器连接，并支持侦测GPRS线路通讯状况断线重连功能。监控终端通过串口连接DTU，将数据信息送入电信运营商的GPRS网络，实现与调度中心远程无线通信。

以太网通信：终端控制器使用ENC28J60以太网控制器，支持TCP/UDP协议传输，E NC28J60和STM32F103VC通过SPI连接来进行通信，STM32F103VC对ENC28J60的各种操作均通过SPI接口进行，包括寄存器的设置，数据的发送和接收。正确设置ENC28J60的MAC地址与IP地址、子网掩码以及网关后，系统可选择通过UDP、TCP的方式接入宽带互联网实现与调度中心通信。

3.5 调度中心系统设计

调度中心系统在设计时满足直观、方便、实用、安全等要求，具有灵活的模块组装性能，采用多层C/S、B/S架构相结合的体系结构，通信服务器负责系统对远程端站的所有通信功能控制和处理，数据处理服务器负责系统数据的处理和存盘操作，Client(客户端)负责提供显示和操作通信服务器的用户界面信息，数据库服务器则用于提供整个系统数据处理和存储服务。

中心系统软件的功能特点：

(1)点测。当用户需要对远程RTU端站的实时数据进行监测的时候，系统使用这个功能将远程RTU实时数据调返中心系统；

(2)巡测。当用户需要对系统所有RTU端站的实时数据进行刷新监测的时候，使用此功能；

(3)数据补调。当中心调度系统由于停电或无线通信情况不够好等原因，造成定时检测的历史数据无法保存到系统数据库，端站运行正常的时候，可使用此项功能将存于该RTU端站中指定时段的定时数据补调到中心数据库中；

(4)系统校时。在电台通信方式下，每次定时开始之前，先对系统下所有相关RTU端机进行一次校时。对于GPRS等网络通信方式的RTU，每天只需校时一次，一般由系统在每天的0点0分0秒开始进行一轮终端校时；

(5)参数查询与读取。中心系统可以对各个泵站监控终端的参数进行设置和读取；

(6)报警功能。系统支持两种报警类型，第一种是从点测回来的实时数据中进行上下限等分析后形成报警信息。第二种是端机突发事件或门禁报警，报警数据源直接来自下位端机以命令的形式送回中心系统。

(7)历史数据维护与曲线分析。系统应提供模拟量和开关量历史定时数据的查改维护功能。历史数据的查改按数据处理的不同可以分为：日、月和年历史数据查改。历史数据的曲线分析按日月年不同的历史数据分为两大类型：多时段数据曲线，功能是对一个参数，在多个时段的变化对比，在图形中不同的时段将以不同颜色显示；多参数数据曲线，给出多个参数在同一个天的变化对比，在图形中将以不同颜色代表不同的参数进行显示。

4.结论

本文介绍的供水泵站远程监控终端系统采用ST公司cortex-m3核心的STM32F103VC微控制器，芯片包含丰富的功能模块，自带有16路A/D转换、5路串口通信等功能，在满足应用需求的同时又简化了硬件设计，降低了系统开发成本。本系统具有功耗低、可靠性高等优点，采用MODBUS协议通过无线通信与上位机实时通信，随着城市供水泵站自动化程度的提高，这种基于STM32的城市泵站监控系统将有更高的应用价值和广阔的市场前景。