基于嵌入式的恒压供水设备远程控制器的设计与实现

陈文凤，欧幸福

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引言

恒压供水广泛应用于农村灌溉、消防用水、城市供水调水、防洪抗涝和工业生产等各个领域。当前恒压供水设备主要依赖于专人监管和控制，存在信息化水平较低、管理效率低、人工劳动强度大和管理成本巨大等问题，特别是中小型恒压供水设备群，站址分散、距离较远、地处偏僻、自然环境恶劣，很难实现集中监控管理，已不适应现代社会发展的要求[1]。目前，国内外有关大中型泵站的状态数据、远程监控技术基本成熟，形成了完备的数据采集、传输和智能监控方案，但是基于嵌入式技术对恒压供水设备的远程智能监管的成熟研究不多[2]。随着物联网和嵌入式技术的研究和应用，为恒压供水设备的智能远程监管提供了借鉴作用。本文基于STM32嵌入式技术和GSM无线通信技术设计了恒压供水远程监控系统，实现对恒压供水设备的环境数据采集、设备运行状态数据监测、数据远程传输、供水设备智能控制与人机交互等功能，具有极高的应用价值。

1 系统总体设计

1.1 功能需求

恒压供水远程控制器通过软件、硬件相结合，实现供水设备的状态监测、运行控制和智能管理的一体化[3]。主要功能如下：

1）运行参数功能。①对储水罐水位、泵站设备、辅助设备的运行参数进行采集和检测，包括电机电压、电流、频率等电量参数，以及水阀通关状态、流量、水位高度、真空度和水压力等非电量参数。②具备人机交互功能，用户可通过远程浏览器、现场显示器展示各类状态参数，也可利用键盘、人机界面操作和设置各种参数。

2）设备操作功能。根据设计的设备控制算法和预设的运行参数对水泵、备用泵、变频器和辅助电气设备实现远程自动控制、现场自动控制和现场手动控制三种功能，包括泵组的启动停止、泵组切换运行、水压设置、流量调节和频率设置等。

3）预警报警功能。由于供水设备安全性能、可靠性要求高，在设备发生故障或异常时，控制器通过现场声光形式报警，同时通过远程控制端、短信等形式向管理人员实时发送报警信号。

1.2 系统架构设计

恒压供水设备远程控制器分为现场控制器、服务器和用户终端三个部分[4]。现场控制器负责控制泵站机组运行、监控水压、流量、摄像头和水箱等各类传感器的参数，通过通讯接口、TCP/IP协议与应用服务器传输现场设备数据。应用服务器上运行与现场泵站控制器通信的数据采集程序、与用户终端通信的Web程序、监视程序和数据服务器，负责设备数据采集、处理和存储，以及分发来自用户终端的命令和响应用户请求命令。用户可使用如手机、平板或个人电脑等智能终端访问远程应用服务器，查看设备数据、发送设备控制命令等。远程控制系统框图如图1所示。

图1 远程控制系统框图

1.3 现场控制器整体设计

现场控制器以嵌入式微控制器STM32为核心，负责对各类阀门、传感器、供电等现场设备参数进行监测，对电机、变频器及其配套阀门进行控制。现场控制器采用模块化设计理念，各功能模块由嵌入式微控制器进行单独控制，实现每个模块检测和控制功能的并行管理。功能模块之间通过串口通信协议进行通信，具有单独的通信地址。现场控制器系统框图如图2所示。

图2 现场控制器系统框图

2 现场控制器硬件设计

2.1 主控模块硬件电路设计

现场控制器是采用ARM公司的STM32系列微控制器作为主控制器，该控制器具备性能先进、价格低廉、功率较低等优点。其外围电路主要包括电源电路、晶振电路和复位电路等。STM32微控制器外围电路如图3所示。

图3 STM32微控制器外围电路

2.2 串口电路设计

考虑到供水设备的工作环境、通信稳定性和通信距离等情况，在现场控制器中，串口通信主要与其他功能模块进行通信，传输传感器、设备等状态传输，实现控制命令的传输。串口电路采用MAX485专用隔离收发器模块，具备RS485通信芯片、干扰隔离、电气隔离和总线保护等多功能，体积小、集成度高。 由嵌入式微控制器的I/O引脚直接控制MAX485芯片的发送器／接收器使能引脚2。高电平时，MAX485芯片数据接收有效，微控制器可以接收来自串口总线的数据字节：低电平时，MAX485芯片数据发送有效，微控制器可以向串口总线发送数据字节。RS485串口电路如图4所示。

图4 RS485串口电路

2.3 网络通信接口

现场控制器通过以太网接口、采用TCP/IP协议与服务器端进行数据通信，接收用户命令，上次设备参数和运行状态数据。采用基于Microchip的ENC28J60芯片设计的以太网模块，ENC28J60集成了MAC控制器和PHY收发器，可以很方便的通过SPI在微控制器上实现以太网扩展，稳定性高。以太网通信接口电路如图5所示。

图5 以太网通信接口电路

2.4 电源电路设计

现场控制器电路由一个24V直流稳压电源供电，可提供最大为2.0A的直流电流，主要为电气开关、蜂鸣器、指示灯和其他水泵设备供电。另外，5V直流电源可为微控制器及其外围电路提供电源。直流电源电路如图6所示。

图6 直流电源电路

2.5 GSM无线通信模块电路设计

GSM模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息，单片机系统用来控制GSM模块，并且对收到的短消息信息进行解析并执行。本文设计的无线通信模块采用Siemens公司的TC35通信模块，该模块包括GSM基带处理器、GSM射频模块、存储器、电源模块（ASIC）、ZIF连接器和天线接口等六个部分。该模块具有40个功能引脚，可分为电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制等五类。GSM模块电路如图7所示。

图7 GSM模块电路

3 软件实现过程

图8 主程序流程图

现场控制器主程序采用模块化设计，实现流程如下：1）采集储水罐水位、出水管水压等情况，判断是否需要启停水泵。2）若启停水泵，则通过RS485串口向DO模块发送数字量输出，对水泵机组、电机与阀门进行开关控制。3）不断轮询供电电压/电流，AI模块的出水口压力、DI模块的出水流量等设备、传感器数据，并分析判断，若数据出现异常则停止水泵和外围设备。4）最后检查用户按键输入、通过以太网接口向服务器上传设备数据，在现场液晶显示器上显示设备参数等。主程序流程图如图8所示。

4 结束语

本文设计基于STM32嵌入式微控制器的恒压供水设备远程控制器，采用模块化设计理念，接口多样，功能独立，性能稳定可靠，充分利用以太网实现水泵设备的远程数据上传、异常报警和远程操作等功能，可广泛应用到偏远地区、农业灌溉、小区供水等恒压供水设备的现地、远程控制等领域，实现水泵设备的“无人值班”管控目标，提高设备管理的信息化水平，具有较好的市场推广和应用价值。