市政管网无线监控装置的设计方案

2023-09-20郭兴根宋涛魏苏伟

智能建筑与智慧城市 2023年9期

关键词：串口管网市政

郭兴根，宋涛，魏苏伟

（1. 河北天元地理信息科技工程有限公司；2. 河北省市政管网智能监控技术创新中心）

1 引言

为解决城市市政管网管理工作中监控不及时、管网维修难度大等问题，本文设计了一套市政管理无线监控装置，利用无线传感器实现数据采集与通信功能，可以为市政管网管理工作提供参考。

2 市政管网无线监控装置设计

2.1 系统总体设计方案

市政管网无线监控装置具有信息化、智能化特点，主要具备以下功能：①采集市政管网各节点压力流量数据；②监控管网工作状态；③采集各管网水泵工作状态；④根据管网运行数据诊断管网故障。市政管网各节点均安装了数据采集控制系统，其与计算机监控系统可以实现相互通信，由计算机监控系统发送命令控制采集控制系统执行相应动作，同时计算机监控系统可以根据数据采集控制系统回传数据对市政管网进行故障诊断。

2.2 数据采集控制系统设计

数据采集控制系统主要安装于市政管网节点上，主要具备以下功能：①采集市政管网各阶段流量参数和水泵工作状态；②与计算机监控系统进行远程通信，同时将采集数据传送至计算机监控系统中；③根据计算监控系统发送指令，控制管网水泵运行状态[1]。

数据采集控制系统包括采集控制模块和协调模块，其中采集控制模块通信网络采用ZigBee+ARM方案，协调模块通信网络采用ZigBee 方案。ZigBee用于数据交换和无线组网，是市政管网无线监控装置主要通信渠道；ARM用于采集市政管网流量数据和水泵运行信息，同时根据计算机监控系统指令控制水泵运行。

2.3 市政管网监控软件设计

市政管网监控软件根据操作人员输入指令执行四项任务：①控制水泵运行状态；②采集市政管网数据；③采集水泵运行状态；④市政管网故障诊断。

当操作人员在计算机监控系统中输入数据采集指令后，数据采集软件通过串口向控制系统发送注水管网流量采集命令，随后数据采集控制通过无线网络将采集命令传送至各市政管网节点控制其采集管网数据。数据采集结束后，各节点数据采集软件将数据打包发送至计算机监控系统中，并通过液晶显示屏直观呈现在用户眼前，以供操作人员参考[2]。

3 数据采集控制系统硬件设计

3.1 ARM微处理器电路设计

该系统采用SEM32F417 型号ARM 微处理器，其主频为168MHz，处理性能可以达到210MIPS，耗电量为38.6mA。此外，该微处理器支持超过两种低功耗工作模式，其内部集成了FPU指令和DSP指令，具备浮点运算和信号处理能力；微处理器芯片集成了SRAM 和Flash 功能；支持多个12 位采样率的A/D[3]。采用STM32F417芯片作为数据采集系统核心，可以进一步提高系统运行性能，降低系统功耗，同时也有利于后期系统升级与维护。

3.2 ZigBee电路设计

数据采集控制系统ZigBee 模块采用CC2530 芯片，该芯片采用8051CPU，有DATA、SFR和XDATA/CODE三种内存访问总线和一个18输入中断单元和调试接口。CC2530 芯片可在不同低功耗系统中运行，有多种功耗模式，该系统CC2530 芯片有两个USART，分别与MAX232芯片连接和ARM通信[4]。

3.3 电源电路设计

数据采集控制系统采用LM1117低压调节器，其主要通过2 个外部电阻进行电压调节，同时其还包括1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和5V5 中电压输出型号。该系统输入电压为4.75V～10V，典型输入和输出电压分别为5V、3.3V，电路输出电流为0mA～800mA。数据采集控制系统包括模拟地、数字地和系统地三部分，在电源电路PCB 设计过程中，模拟地、数字地与系统地采用直接连接方式[5]。

3.4 串口通信电路设计

数据采集控制系统CC2530与STM32F417之间采用串行异步通信方式，数据传输采用数据线交叉相连方式。另外，数据采集控制系统还包括RS232串口，该串口主要用于与外界设备进行通信，可以连接于智能仪表或计算机，当串口电路R17、R19 接入电阻为0Ω，R18、R20 不接入电阻时，串口电路MAX232 与ATM32F417 串口UART3 进行连接；当R17、R19 不接入电阻时，串口电路MAX232 与CC2530 串口UART1 进行连接。该串口设计方式，可以使CC2530 和STM32F417 共用1 个MAX232 芯片资源，进一步减少了数据采集控制系统造价成本。

4 数据采集控制系统软件设计

①协调器接收计算机监控系统发送数据采集指令，并利用无线通信网络将采集命令传输至各管网节点，然后通过智能仪表收集各管网节点流量数据。

②协调器接收计算机监控系统发送采集水泵运行状态指令后，通过ZigBee 通信网络将命令发送至各管网节点并采集水泵运行参数。在收集水泵运行数据过程中，数据采集控制系统会判断管网节点是否为水泵站，如果不是水泵站则继续搜索；如果是水泵站，则采集水泵站运行状态，并将数据回传至协调器，由协调器将数据发送至计算机监控系统中。

③协调器接收计算机控制系统发送的水泵控制指令，当数据采集控制系统接收到控制命令后，首先判断控制指令水泵ID是否与当前搜索节点匹配，如果不匹配则不执行动作；如果ID相符则执行控制指令，改变水泵运行状态。

4.1 ARM微处理软件设计

ARM 微处理器通过读取ZigBee 模块接收控制指令，并按指令执行相应操作。当数据采集控制系统接收指令为采集管网流量数据，则读取智能仪表参数并通过串口将数据发送至ZigBee 模块中；当接收指令为采集水泵运行状态或控制水泵运行状态，则读取水泵运行数据或控制水泵运行状态改变。

4.2 协调器无线模块软件设计

协调器无线模块主要具备以下功能：①接收计算机监控系统发送指令，并根据计算机指令执行相应动作；②接收数据采集控制系统无线数据，并将数据打包发送至计算机。

协调器无线模块数据处理流程如图1 所示，其中功能①接收到采集管网流量数据指令后，协调无线模块首先向ARM模块发送采集数据命令，同时将采集管网流量数据命令打包发送至ZigBee网络中的各节点。当接收命令为采集水泵运行状态时，首先将采集指令发送至ZigBee 网络各节点，其次判断当前管网节点是否为水泵，如果判断结果为否，继续搜索下一节点，并判断节点ID，反之向ARM 模块发送采集该节点水泵运行状态命令。当接收命令为控制水泵运行状态时，首先将控制指令打包发送至Zig-Bee 网络节点，并判断当前节点是否与控制节点ID一致，如果一致则改变水泵运行状态。

图1 协调器无线模块数据处理流程

5 市政管网监控软件设计

5.1 采集管网流量数据

当操作人员在市政管网监控软件中点击“采集数据”按钮后，监控系统响应控制操作，并传输控制指令，数据采集控制系统接收到采集数据指令后，首先对市政管网各节点流量数据进行采集，数据打包后利用无线网络发送时值协调器，最后通过串口发送至市政管网监控软件中。监控软件接收到市政管网运行数据后，将数据存于系统内容中，并更新计算机数据库信息。数据接收流程：当市政管网检测软件串口接收到数据后，首先判断数据长度是否满足数据采集协议要求，若数据长度不符合要求，则舍弃；如果满足协议要求，则判断采集数据类型为管网流量信息还是水泵运行状态信息。如果接收数据第二个字节为0x00，则采集数据为管网流量数据；如果接收数据第二个字节为0x01，则接收数据为水泵运行状态数据。最后市政管网监控软件根据数据信息更新系统数据库或水泵工作状态，并通过人机交互界面直观显示在用户眼前。