基于RT-Thread实时操作系统的多泵站远程监控系统设计

杜石雷 刘继伟 林考

摘  要：为了实现特殊环境下泵站的监控和操作，本文设计了一套泵站远程监控系统。该系统基于RT-Thread实时操作系统开发，节点之间通过Lora无线通信传输数据，并且借助标准Modbus协议采集泵站数据，实现状态检测和操作控制。经过实际现场运行测试，該系统运行稳定，数据传输正常，表明该方案是可行的，且具备一定的实际推广价值。

关键词：RT-Thread;远程监控;Lora无线传输

中图分类号：TV675  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00

0 概述

在实际生产中，为了有效监控多个泵站的运行状态以及下发指令进行操作，需要通过硬接线或者现场总线组成网络化的控制系统，而在一些特殊环境（比如海上、山地、丘陵等）下，存在传输距离远、布线困难等问题[1]。为了有效改善以上问题，实现多泵站的远程监控，为状态监测系统实施打下良好基础。基于此，本文提出一种基于RT-Thread实时操作系统的多泵站远程监控系统。该系统主要采用Lora无线通信技术，软件运行在嵌入式实时操作系统RT-Thread上，功能节点分为无线通信终端主节点和无线通信终端从节点，均采用STM32单片机进行开发。

1 总体结构

该系统包括以下4个功能部分：无线终端主节点、无线终端从节点、设备采集器和数据共享节点。该系统的总体结构图如图1所示。

由图1可知，实现该系统的主要节点为无线通信终端，其分为主节点和从节点，一般系统中会配置一个主节点，根据泵站设备数量配置若干个从节点，主从节点采用Lora无线通信技术，内部采用自定义应用协议进行通信。多个从节点采集到的泵站设备状态信息汇聚到主节点，由主节点统一预处理接收数据，然后发布给标准第三方系统使用。

无线通信终端主节点通过Modbus协议为第三方系统平台实现接入接口，一般作为Modbus从站运行，根据第三方系统需要配置为Modbus RTU模式运行;而从节点通过Modbus协议采集泵站变频器运行状态信息以及下发操作指令，作为Modbus主站运行，由于泵站变频器或者软启一般支持RS485接口，所以从节点采用Modbus RTU模式运行。

2系统设计

为了保证该系统能够应对复杂的运行环境，在通信终端设备的开发中，其软件和硬件设计都要充分考虑其可靠性问题[2]。该系统总体上遵循模块化的设计思路，并将功能分散到各个模组中进行实现[3]，单个组件的失效不会影响其他设备或者功能的正常运行。

2.1 硬件电路

由意法半导体公司推出的STM32系列单片机，采用专为嵌入式应用设计的ARM Cortex-M内核，具有高性能、低成本、低功耗的显著优势，同时具有丰富的外设资源，在功耗和集成度方面均有不俗的表现[4]。内核采用ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法;支持最多高达112个的快速I/O端口、最多多达11个定时器、最多多达13个通信接口。

基于以上显著优势，本系统采用STM32系列单片机中的STM32F103RET6进行开发，其片上资源和外设控制器能够满足本系统开发需求，硬件电路只需增加必要的缓冲和驱动电路即可。

2.2 软件设计

由于工业控制场合对系统实时性和可靠性要求较高，尤其是任务调度和执行周期的确定性要求更为严格。在远程监控系统软件设计过程中，根据要完成的任务划分为多个线程，采用嵌入式实时操作系统进行线程调度，从而满足工控系统的苛刻要求。

2.2.1 RT-Thread实时操作系统

RT-Thread是一款主要由中国开源社区主导开发的开源实时操作系统（许可证GPLv2），其是最简洁、优雅的开源操作系统之一，且已经建立了较为成熟的上下游生态[5]。RT-Thread不仅仅是一个单一的实时操作系统内核，也是一个完整的应用系统，其包含了实时、嵌入式系统相关的各个组件：TCP/IP协议栈，文件系统，libc接口，图形用户界面等。相较于Linux操作系统，RT-Thread体积小，成本低，功耗低、启动快速，除此以外RT-Thread还具有实时性高、占用资源小等特点，其易裁剪，易扩展，适用于不同档次的产品，大大增加软件的可复用性，提升开发的效率，非常适用于各种资源受限（如成本、功耗限制等）的场合。

该监控系统采用RT-Thread操作系统，充分发挥其多线程调度优势，利用生态系统中成熟的组件，缩短软件开发周期，增强软件可重用性和可维护性。

2.2.2 Modbus软件设计

作为工业应用中非常成熟的现场总线协议，Modbus获得了广泛的应用，大部分现场设备均支持该协议。本系统中的泵站设备由变频器驱动，型号为深川S350，配有隔离通信扩展卡，支持RS-485数据传输，通信协议为Modbus RTU。

本系统中的数据采集器作为Modbus主站运行，采集S350变频器的运行状态、监控参数、故障信息、功能码参数，并且能够向变频器发送操作命令、设定运行频率、改写功能码参数等。该任务主要由threadModbusPoll工作线程完成，在RT-Thread操作系统下，开启用户线程的方法为：

rt_thread_init（&thread_ModbusPoll， "MBMasterPoll"， threadModbusPoll，

RT_NULL， thread_ModbusPoll_stack， sizeof（thread_ModbusPoll_stack）， thread_ModbusPoll_Prio，5）;

rt_thread_startup（&thread_ModbusMasterPoll）;

總体上来看，在该线程中，首先完成通信端口的初始化，然后使能相关端口，最后启动Modbus主站的轮询工作，在轮询时，需要用户按照变频器通信手册提供的寄存器列表调用相应的API完成。该部分的软件工作流程如图2所示。

2.2.3 Lora通信设计

Lora模块配置信息表，Lora通信采用E22-400T30S拳新一代Lora无线模块，基于SEMTECH公司SX1268射频芯片的无线串口模块[6]，工作在410.125-493.125MHz频段，其传输距离远，速度快，并且功耗低，支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信秘钥等功能，支持分包长度设定[7]。其参数配置如表1所示。

2.2.4 变频器连接与设置

现场泵站设备由变频器进行驱动，本系统选择的变频器为深川S350系列变频器，这是一款高性能矢量变频器，可用于异步电机和永磁同步电机的控制，因此电机控制性能明显提高。该变频器同时支持端子控制、手动控制和通信控制等工作模式，在该远程泵站监控系统中，主要采用通信控制方式。

变频器接线端子上的RS-485通信接口与无线通信主节点的通信端口进行连接[8]，即数据线A接A，B接B，GND接GND，一般来说，每台变频器都会单独接入到无线通信主节点中。变频器的软件通信参数设置为：波特率115200，数据位8位，校验位无，停止位1位，同样的，无线通信主节点的通信参数也要设置为相同的属性。实际工作过程中，变频器通信的数据点位如表2所示，其中的数据点既包括变频器上传的状态参数，也包括远程下发的控制指令。

2.3 上位机设计

为了直观、形象地展示监控系统数据和运行状态，最大限度地方便工程技术人员查询、操作、配置监控系统参数，本系统配置一台触摸屏，型号为TK6071iP。该触摸屏为宽输入电压范围10.5～28VDC，800×480 TFT LCD，LED背光灯，内建储存内存及万年历，达到IP65面板防护等级，具备RS-485接口，最大通信速率可达187.5K，内置电源隔离保护。

该触摸屏可对泵站进行远程集中监控，能够对工作电压、电流、运行状态等参数进行连续监控，并能够泵站进行成组或单独操作。数据通信均通过Modbus协议实现触摸屏与无线通信终端主节点之间的通信。

3 运行效果

按照系统运行要求，将无线通信终端主节点、从节点、触摸屏进行正确连接后，对照变频器通信数据点表，配置寄存器地址，能够通过触摸屏上位机界面上查看当前各个远程泵站运行参数和状态，并能够通过触摸屏下发控制命令，远程实现泵站的启停操作，系统运行稳定，参数传输可靠，控制命令下发准确。

4 结论

实践表明，提高远程监控系统的自动化、信息化水平，可以显著提高成套装备的可靠性和可维护性。多泵站远程监控系统作为一个典型代表，通过引入嵌入式实时操作系统RT-Thread，借助于其多任务处理优势，通过智能化、网络化的控制技术，增强系统的可靠性、可维护性。现场运行结果表明，本系统运行稳定，完成了预期的设计目标和任务，为实现远程泵站监控系统信息化和智能化提供了技术支撑。

参考文献

[1]梅幼亚，姚毅，于洋，等.基于西门子S7-300与威纶通触摸屏的换热站自控系统[J].山东工业技术，2015（13）：220-221.

[2]邱伟峰.一体化智能型泵站软测量监控系统开发及试验验证[D].镇江：江苏大学，2019.

[3]叶沛洪.PLC控制技术在泵站自动化监控系统中的应用研究[J].自动化应用，2019（5）：89-90.

[4]王煦竹.一种无线地震数据采集节点系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2020.

[5]李海园.基于RT-Tread OS和OneNet云的IoT系统设计[J].物联网技术，2020，10（1）：75-76+82.

[6]吴梅梅，王德永.基于LoRa的无线温湿度节点设计在机房中的应用研究[J].河北软件职业技术学院学报，2020，22（3）：1-4.

[7]钟智杰，杨昊旋，崔鹏，等.基于STM32的智能四轮全向移动可重构避障机器人[J].传感器与微系统，2020，39（9）：112-115+118.

[8]李通，韩建萍，魏诚.基于STM32电气控制器硬件设计[J].山西能源学院学报，2020，33（4）：100-102.

收稿日期：2020-05-08

▲基金项目：天津市教委科研计划项目（2019KJ156）。

作者简介：杜石雷（1988—），男，河北保定人，研究生，讲师，研究方向：网络化控制技术与系统。

Design of Remote Monitoring System for Multi-pump Station Based on RT-Thread Real-time Operating System

DU Shilei1， LIU Jiwei1， LIN Kao2

（1. Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology， Tianjin  300380;

2. Automisun （Tianjin） Technology Co.， Ltd.， Tianjin  300401）

Abstract：In order to realize the monitoring and operation of pumping station under special environment， this paper designs a set of remote monitoring system for pumping station.The system is developed based on the RT-Thread real-time operating system， and the nodes transmit data through Lora wireless communication， and use the standard Modbus protocol to collect pump station data to achieve status detection and operation control.After the actual field operation test， the system is stable and the data transmission is normal， indicating that the scheme is feasible and has certain practical promotion value.

Keywords： RT-Thread; remote monitoring; Lora wireless transmission