基于RFID技术的水泵集群监测系统设计与实现

薛晨洋

（苏州希格玛科技有限公司，江苏 苏州215006）

0 引言

水泵在生活中的应用越来越广泛,除了农业灌溉，工业取水等用途，像消防水泵房，高建筑居民水泵房也无处不在，这就导致水泵的修理与维护问题越来越突显的重要。 水泵测试的方法已经有很多,包括使用仪器进行参数测量，使用虚拟仪器对其进行测试。 但是往往实施起来比较麻烦,成本较大。 很多问题如果能及早的发现,那么维修起来会比较方便，成本与代价也较低。 这就要求能够对水泵的运行状态进行实时的不断的监测，但水泵房一般不具备接入互联网条件，无法实现远程测控功能，解决这一问题对于水泵的安全生产具有现实意义。

本文实现了水泵集群监测管理系统。除了对水泵状态进行实时监控，包括监测电流，电压，水位，问题等信息，还对水泵设计了安全保护，采用RFID 技术来设计其保护板，并采用以太网传输到管理平台，实现了水泵集群的远程监控与管理系统。

本系统主要分为以下几个部分：

（1） 硬件设计主要包括水泵RFID 保护板硬件设计和RFID 阅读器硬件设计两个部分。

（2）RFPMS 系统嵌入式软件包括水泵保护板程序和RFID 阅读器程序，在设计时将软件划分为硬件模块驱动、RF 通信协议、应用逻辑控制几个部分，力求设计逻辑清晰、功能完善。

（3）RFPMS 系统应用软件分为三大部分，侦听软件、数据库以及监测软件。

1 相关工作

水泵测试发展：

泵测试技术的研究与发展对于水泵基础理论的研究和发展、水泵性能的改进、水泵设计方法的创新等都有着极其重要的作用。 尤其实在使用过程中的维护这一过程，测试水泵显得尤为重要[1]。

欧、美等发达国家对泵测试技术的研究起步较早，测试系统的产品已比较成熟，对于特殊泵的研制、泵的特性测试等方面国外技术更加成熟。 1961 年，英国国立工程实验室（NEL）就建立了自己的水力试验台，该试验台适用于水泵和模型水轮机（最大直径500）的性能试验。 最近，西德KSB 公司和瑞士苏尔康公司水泵试验台均采用了计算机自动化测试系统， 例如英国Cussons Technology 公司生产的P6250齿轮泵、轴流泵、离心泵和活塞泵测试平台等。但这类水泵测试装置仍存在如数据处理功能薄弱、缺少嵌入式数据处理分析系统、效率不高等缺陷[2]。

国内传统的测试方法采用各种仪器来测试各参数手段落后、测试仪表众多、测试精度差、劳动强度高、测试效率低等缺，成本较大[3]。 也有采用虚拟仪器来测试水泵，基于虚拟仪器技术的水泵性能检测专家系统,实现对各种信号的实时采集、分析和处理,运用虚拟PID 控制器实现了流量自动控制, 利用LabView 多项式拟合模块对性能测试，利用图形编程化来编写软件[3]。最近为了能够实现远程化监控，基于物联网技术来对水泵站进行远程监控[5],基于PLC 控制系统和视频监视系统的更新改造，采用物联网技术，实现了泵站无人值守的目的[2]。

2 系统硬件设计

硬件设计主要包括水泵RFID 保护板硬件设计和RFID 阅读器硬件设计两个部分。

2.1 水泵RFID 保护板硬件设计

2.1.1 主控芯片

在嵌入式产品设计中，器件选型是一个非常重要的环节，因为它直接影响着产品的最终性能。 本文设计的水泵RFID 保护板主控芯片带有工作在2.4GHz ISM 频段的RF 收发器模块，ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，允许任何人随意地传输数据，但是对所有的功率进行管制，使得发射台只有很短的距离，因而不会相互干扰,并且兼容IEEE 802.15.4 标准。 因此，本文选择了Nordic 公司生产的NRF24LE1 作为保护板主控芯片。 nRF24LE1 具有以下突出优点:（1）功耗低，（2）体积小。

NRF24LE1 主控芯片的最小系统主要包括电源模块、 晶振模块、复位模块，程序烧录模块和RF 通信模块。

2.1.2 保护模块

保护模块主要实现水泵运行过程中的监测以及保护功能，确保水泵正常工作状态。 主要功能包括：水位压力监测保护、过电压保护、过电流保护以及温度控制保护。

本系统采用KYS2003 作为压力传感器，AD620 作为信号放大器，用ADC0809 作为A/D 转换器。 电参数的采样需要输入ABC 三相电压和电流， 综合功能、 可操作性、 性能等方面， 我们综合考虑选用ATT7022B 作为检测芯片。

电池组在工作当中工作电压不稳定，例如机械上电，充电器接入，负载连接等等都护造成电压的较大变化。 为了保护系统的可靠性，设计中在电路的关键部分采用了瞬态抑制二极管(TVS)，作为电路保护部分，TVS 管使用时与被保护设备并联使用， 具有极快的相应时间和相当高浪涌吸收能力。 可以保护电路免受静电、负载切换时产生的瞬变电压以及感应雷所产生的过电压的伤害。

2.2 RFID 阅读器硬件设计

2.2.1 主控芯片模块

RFID 阅读器设计用来实现水泵信息数据的采集与上传。 在具体功能上，RFID 阅读器能够发送低频唤醒信号来唤醒附近的RFID 保护板， 之后通过RF 模块与之取得数据通信。 之所以通信频率选为2.4GHz 频段，是因为高频信号传输距离远，信号稳定，比较适合用来作为数据传输通道[6]。 而125KHz 低频信号穿透力强，接收芯片能够放置在密封容器内部，同时功耗可以维持在μA 级别以下，长时间待机也不会消耗太多的电能。 所以低频唤醒芯片比较适合用在RFID 节点上面。 阅读器硬件模块框图如图1 所示。

图1 阅读器硬件模块框图

2.2.2 低频唤醒信号发生模块

低频唤醒信号用来唤醒AS3933 芯片， 是在125KHz 载波的基础之上， 通过编码调制产生的。 具体实现方式是由主控芯片LM3S6965中的PWM 模块用来产生125KHz 载波， 通用IO 口输出调制信号波形，最后由与门将两者结合产生低频唤醒信号，使用TC4422 芯片将3V 的125KHz 信号转化为12V，使其有足够的能量来驱动唤醒天线。

图2 TC4422 原理图

2.2.3 RF 模块

RFID 阅读器高频通信模块采用NRF24LE1 芯片作为RF 无线数据收发器，其主体设计参见锂电池RFID 保护主控芯片最小系统硬件设计。为了增大NRF24LE1 无线信号覆盖范围，RFID 阅读器增加了一款无线信号功率放大芯片CC2591。

3 RFPMS 系统嵌入式软件设计

3.1 软件架构

为了提高嵌入式软件模块通用性，本文设计时参考驱动程序设计的分层模型，即将驱动分为硬件相关层PDD(Platform Dependent Driver)和硬件无关层MDD（Model Device Driver）。 PDD 层是和硬件平台相关的代码，根据具体硬件模块的功能和特点，实现基本的驱动功能。MDD层实现的是和平台无关的功能，具有可复用特性，MDD 层主要负责逻辑处理这一部分，硬件功能则通过调用PDD 层中的功能函数实现。 应本章将水泵管理系统嵌入式软件分为三个部分：硬件模块驱动、RF 通信协议、应用逻辑控制。 其中硬件模块驱动属于PDD 层，为上层提供硬件模块的基础功能。 RF 通信协议和应用逻辑属于MDD 层，负责实现软件控制逻辑和通信协议接口。图3 为水泵管理系统嵌入式软件分层框架。

图3 水泵管理系统嵌入式软件分层框架

3.2 驱动程序设计

硬件模块驱动属于嵌入式软件结构中的PDD 层， 任务是根据具体硬件模块功能，编写驱动软件，为MDD 层提供功能函数调用接口。硬件模块驱动部分包括RF 模块驱动，低频唤醒模块模块，水泵保护模块驱动，数据存储模块驱动，实时时钟模块驱动和网络模块驱动等。

3.3 保护板-阅读器通信协议设计及实现

水泵RFID 保护板将水泵运行过程中产生的各种事件信息（例如温度，过流大小，水压大小等等信息）以固定的帧格式保存至EEPROM数据芯片， 为水泵的管理与故障诊断提供依据。 除事件记录之外，EEPROM 数据芯片中也存储有当前水泵的序列号、 水泵工作时间、水泵使用时间等等信息。EEPROM 中存储的信息数据可为水泵故障诊断和生命周期管理，安全防盗提供重要的判断依据。 EEPROM 中存储的事件记录帧结构包括一个字节的编号，八个字节的时间信息，一个字节的事件类型，以及事件发生时的电压(mV)、电流(mA)、电量(mAH)数据，最后是一个校验字节。保护板-阅读器采用如表1 所示的命令帧结构，主要包括通信地址、操作命令以及数据等部分。 在通信过程中，双方将检测协议栈中目的地址是否与自身匹配，如果不匹配则作丢弃处理。 帧检验采用逐字节异或校验方式来确保数据正确性。 表2 列出了协议支持的操作命令。

表1 阅读器保护板协议帧格式

表2 协议命令类型及说明

4 RFPMS 系统应用软件设计

将RFPMS 系统应用软件分为三大部分，侦听软件、数据库以及监测软件。 数据交换软件和监控软件这两部分通过数据库进行通信，侦听软件部分负责服务器与阅读器之间的通信，监听指定端口是否有数据传输到服务器端，若有数据传输到服务器端，则将数据按照预定格式进行解析，然后存放到数据库中；监控软件负责从数据库取出数据并且提供友好的人机界面供管理水泵人员实施查看或者控制水泵状态。

4.1 监测软件设计

在监测软件的设计上，为了实现“高内聚、低耦合”的特点，故采用了分层开发的思想，将监测软件分为三层，通常意义上的三层架构就是将整个业务应用划分为：表现层、业务逻辑层、数据访问层。 监测软件结构图如图4 所示。

图4 监测软件结构图

4.2 心跳包与应答机制

阅读器和服务器进行通信过程中， 如果长时间没有数据通信，那么有可能阅读器已经和服务器端断开了链接，这是由于通信服务商提供的服务的限制问题造成的。

4.3 侦听软件设计

侦听软件是服务器端软件与阅读器模块之间的通信媒介，我们将侦听软件划分为四个功能，采用多线程的方式，每一个功能都在单独的线程中完成， 当一个线程必须等待的时候，CPU 可以运行其它的线程而不是等待，大大提高了程序的工作效率。

5 结果

本系统提供了数据查询功能，如图，选择2014 年3 月4 日，点击查询，这个天的所有状态都被显示出来，这是因为每个时间点的水泵状态都会被侦听软件存储到数据库中，所以当监控软件需要查看历史状态时，只需读取数据库即可，如图5。 监视界面提供了对每一台水泵的电流、电压、水位和温度的实时监测。 可实现电压、电流、温度等。 参数的实时和历史趋势曲线显示， 对某一时刻的参数变化进行查询，如图6 所示，当选择监测的变量为电压时，点击查询时命令由软件发出存入数据库，由侦听软件读取该下发命令进行一定组帧后经过网络下发给阅读器。 阅读器内部传输由RFID 模块转发给各个水泵控制板，各个水泵控制板再将当前电压状态发送上来，经过一定的传输和解析后发送给服务器，监测软件再读取数据库，即可获知当前电压状态。再将电压值进行描点绘图，于是在界面上就会出现电压的曲线图了。

图5 历史数据查询界面

图6 状态监测界面

6 总结与展望

本文所设计的RFPMS 系统从功能上主要包括三个方面。

（1）水泵的状态采集，通过控制板上的多个传感器实时采集水泵的状态信息， 结合物联网中的RFID 技术，实现了水泵控制板的无线访问

（2）是水泵的状态监视，将采集到的数据由阅读器通过Internet 模块传输至服务器端供检测软件使用。

（3）是水泵的状态控制，通过服务器端的监测软件我们可以方便对水泵的数据进行实时监控，当发现水泵的状态存在异常时，可以直接通过监测软件发送命令至水泵控制板以达到控制水泵状态的目的。

在下一阶段中可采用ZigBee 技术， 将水泵集群进行自组网，使得水泵节点相互之间传输数据，便于维护和扩容，扩大了数据传输的范围。 监测软件目前只能提供数据的查询显示和控制，对于一些用户难以发现的潜在问题，并不能够对用户进行提醒，在以后的工作中，可以使用数据挖掘和机器学习的算法对于已有数据进行分析，推测出可能出现的问题，从而提前发现问题解决问题。

［1］朱志伟.应用物联网技术实现泵站无人值守[J].供水技术,2013,1:7(1).

［2］马良,魏志明,马天石,刘辉.刘青国内外泵测试技术的研究现状与发展趋势[J].机电产品开发与创新,2012,5:5(3).

［3］于淑政,张海峰,王磊磊.基于LabView 的水泵性能检测专家系统[J].2008,10:29(10).

［4］梁森.水泵开式台自动测试系统的研究[D].兰州：兰州理工大学,2007.

［5］游战清,李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].电子工业出版社,2004.

［6］沈苏彬,毛燕琴.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2010,30(4):1-8.

［7］李云飞,陈良,王树青.物联网的内涵与应用及其对过程自动化的启示[J].石油化工自动化,2011,47(2):1-4.