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基于物联网的一体化泵站设计与实现

更新时间：2019-12-24 06:30:53 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题,采用物联网思想设计并实现了一种一体化泵站系统;感知层采用STM32F407单片机,基于mbed-rtos操作系统对不同类型的传感器进行数据采集并对软启动器、摄像头进行控制,网络层利用MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器,应用层通过手机客户端或网页登陆泵站管理系统实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能;系统运行稳定可靠,能够较传统泵站更好地完成计费抽水等任务,为泵站的自动化提供了一种可靠的一体化解决方案.

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计算机测量

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文章编号：1671—4598(2017)02—0186—03

D01：10．16526／j．cnki．11—4762／tp．2017．02．051

中图分类号：TPl8

文献标识码：A

基于物联网的一体化泵站设计与实现

黄

勇，严

华

(四川大学电子信息学院，成都610041)

摘要：针对传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题，采用物联网思想设计并实现了一种一体化泵站系统；感知层采

用STM32F407单片机，基于mbed—rtos操作系统对不同类型的传感器进行数据采集并对软启动器、摄像头进行控制，网络层利用

MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器，应用层通过手机客户端或网页登陆泵站管理系统实现泵站用水数据的实时查看、泵站

监控等功能；系统运行稳定可靠，能够较传统泵站更好地完成计费抽水等任务，为泵站的自动化提供了一种可靠的一体化解决方案。

关键词：物联网；农业灌溉；MQTT；泵站

Station

and

Integration

Pumping

Design

Implementation

Based On Internet of

Things

Hua

HuangYong，Yan

of Electronics and Information

(School

Abstract：The

610041，China)

Engineering，Sichuan University，Chengdu

^traditionalpumping

single billing model，complicated

operate，difficult

station has

many problems，such

station

manage

andSO

solve these

was

and

microcontrolter is

implemented．STM32F407

on．To

problems，an integrated pumping

system

designed

used in the

camera at

mobile

which is based on mbed—rtos

to collect different

of sensors’data，and control the soft starter and

system

types

system

operating

communication

is used to send the data to the cloud

center at network

computing

layer．MQTT

perceptual

protocol

layer．Through

or web

realizes the function of

station’S water

data

viewing pumping

phone^client

pumping^station

log

the

management system，which

in real—time and

stations at

with traditional

is stable and_re-

application

station，the

system

monitoring

pumping

layer．Compared

pumping

the

task．So the

reliable

solutions for the

automation

pumping

liable，and

better

sta—

accomplish

billing pumping

system

integrated

tion．

station

Keywords：internet

things；agricultural irrigation；MQTT；pumping

引言

我国计划在“十三五”期间形成覆盖全国的农田水利数据

[二二蔓堕亟塑至二]应用层

[二二垂堕堕垂堕二二]网络层

[二二二亟巫[二二]感知层

库体系，为农田水利管理信息化提供全面支撑。同时基本建成

国家灌区监测系统，实现对灌区灌溉排水的宏观管理。采用计

算机自动化方案实现泵站的自动化控制和远程监测，但其功能

有待完善且资金投入大[1。3]。文献[4—5]提出将单片机引入

区囡匿区

泵站控制系统，但其没有计费取水功能。上述方案，一定程

度上解决了泵站自动化中遇见的问题，但泵站功能不够完

善，仍存在操作复杂，没有引入计费模式等问题。本设计采

用物联网设计思想解决了原有泵站的操作复杂、计费模式单

一等问题。

图i系统结构框图

测，利用不同类型的传感器对信号进行转换、处理，并利用

RS-485等通信方式传输到单片机。单片机使用GPRS无线网

络或互联网将数据上传到云计算中心服务器。终端设备在应用

层可实时查看各类数据，获悉泵站运行状态信息，也可实时启

停泵站，召测泵站的运行图像。

系统设计

物联网有三个层次，分别是用来感知数据的感知层，处理

数据传输的网络层，以及对数据进行计算和管理的应用层。本

设计系统整体结构如图1所示。

2一体化泵站系统设计

感知层设计是一体化泵站系统最重要的一部分，系统采用

了两种类型的传感器，所以有两种不同的传感器数据采集方

式。水位和水压传感器采用的是4～20 mA电流信号，因此水

位和水压信号经过调理电路后通过单片机内置AD进行数据的

收集。电表、摄像头、软启动器、流量计采用RS-485接口与

一体化泵站系统结构以感知层为基础，感知层以单片机为

核心对水位，水压，流量，用电量，图像数据等信号进行检

收稿日期：2016一04—07；修回日期：2016—06—21。

作者简介：黄勇(1991一)，男，四川眉山人，硕士研究生，主要从事

嵌入式方向的研究。

单片机进行通信。单片机利用modbus总线协议读取软启动器

参数、流量等数据，利用特定协议读取电表数据和图像数据，

并将采集到的数据保存到SD卡中。感知层泵站控制器硬件结

构设计如图2所示。

严华(197i一)，男，四川渠县人，博士，教授，硕士研究生导师，主

要从事嵌入式系统、水利信息化方向的研究。

万方数据

第2期

黄勇，等：基于物联网的一体化泵站设计与实现

．187．

变为低电平，这将触发单片机的外部中断，此时单片机调用摄

像头进行拍照，图像数据存储将存储在SD卡中，同时将图片

的存储路径信息通过MQTT协议上传到云数据中心，当应用

层需要调取图片信息时，可通过手机APP或者Web端发送召

测指令以获取图片信息，这就实现了对泵站的安全监视。图像

数据检测采用SXH485串口摄像头，供电方式采用5～24 V直

流电压供电，工作温度一40～85℃，最大分辨率1280× 960，

最大夜视距离15米，默认波特率为115200。单片机向摄像头

下发报文格式如表1所示。其中报文头为两个字节0x90EB，

0xEB是第一个字节，0x90第二个字节。摄像头的设备地址可

设定，地址范围从0至255，其中0为保留地址，地址255用

于广播报文，本系统中摄像头设备地址为1。报文类型为0x06

时，表示该包用于传输图像数据。

射频仁

阻别模块

百

r，]叫—．量

了上黻T

～．．．．．一

西磊磊丽“—卫

丽西磊面耐．_J坠鲤

百百丽孺1卜__旦出

STM32微处理器卜—I按键模块

其他传感器k———一

软启动器

检测电参数

2．1泵站取水功能实现

表1下行报文格式

启动泵站进行取水的方式有三种：刷卡开泵，网页端远程

控制开泵，手机APP端远程控制开泵。刷卡取水时采用的是

MFRC522读卡芯片来获取卡片信息，选用的取水卡是$50非

接触式Ic卡。$50卡成本低廉，便于大规模应用，但其采用

的存储技术较容易被破解，所以不能在取水卡内直接写人明文

报文头设备地址报文类型报文长度

(2B) (1B) (1B) (2B)

命令参数 CRC校验码

(<65527B)

(2B)

摄像头向单片机上传报文格式如表2所示，其中状态字节

为Ox00是表示摄像头状态正常，0x01表示摄像头发生内部

错误。

信息。传统的加密算法的软件实现需要消耗过多资源，因此不

适合运算能力和存储空间均有限嵌入式环境。本设计采用的方

法是开卡时首先采用present轻量级加密算法对取水卡信息进

行加密，然后为了方便将数据从服务器端传送到客户端再对数

表2上行报文格式

数据

CRC校验

报文头I设备地址I报文类型I报文长度l状态I

(2B)

(1B)

(2B)『

『(1B)l(<65527B)l码(2B)

据进行Base64编码。开卡流程如图3所示。

2．4流量数据检测

单片机通过modbus协议采集流量数据，使用TUF_

2000M超声波流量计测量管内流量。该流量计测量线性度

0．5％，重复性精度0．2％，时差测量分辨率40皮秒，测量精

度土1％。在液体中的超声波传输时间将因液体流动而产生微

小的变化，此处的传播时间变化正比于液体的流速。液体流速

计算公式见式(2)，0为超声波与液体流动方向的夹角，M为

超声波在液体中的直线传播次数，D为管道内径，L为超声

波在顺流方向上的传播时间，L。。为超声波在逆流方向上的传

播时间。

图3取水卡开卡过程

Present加密算法属于分组密码算法，实际应用中需要对

待加密数据进行处理，计算关系如式(1)所示，L为实际的

数据长度，当L不是8的整数倍时，需要在待加密数据后补X

位0，N为待加密数据的组数。

(1)

V一器× 糍

N一半

本设计有三种计费方式：电计量收费、水计量收费、时间

量计费。当泵站处于取水状态时将流量数据以及电参数上传至

数据中心，数据中心根据用户需求选择特定的计费方式进行计

费，以此实现计费取水功能。

读卡芯片通过SPI接口将卡内数据传输到单片机，单片机

对得到的数据解Base64编码，再用密钥对数据进行解密，最

后从铁电存储器FRAM中查询刷卡用户是否合法，对合法用

户执行相应的开泵取水操作。

2．5传感器接口电路设计

2．2电参数检测

一体化泵站的控制核心是单片机，其通过AD转换器获取

水位和水压数据，通过RS-485接口完成对软启动器参数、电

参数、图像数据和流量的数据采集。本设计采用中的单片机是

STM32F407单片机，图4所示的RS-485电路与单片机直接相

连，单片机对采集到的信号经过数字滤波，通过特定的协议与

传感器之间进行通信。

电参数检测采取了选取了DTS541电表和ADE7878电参

数芯片并用的方案，电表用于精确计费，同时用于校准

ADE7878电参数芯片。电表可以提供电压、电流、有功、无

功功率参数，但是这些参数不足以为电机提供保护，因此系统

增加了ADE7878电参数芯片。ADE7878可以为系统提供总有

功和无功功率、视在电能、功率因数和电网频率等参数。

ADE7878通过电压互感器以及电流互感器接人三相交流

电，通过SPI接口将电参数发送给单片机。单片机通过计算电

参数数据，来检测过压故障、缺相故障、逆向序故障等，实现

对电机的保护。

RS-485电路使用SP3072作为总线收发器，使用50mA自

恢复保险丝和瞬变电压抑制器来抑制静电和电涌瞬变带来的干

扰。系统中有两路RS-485通信电路，一路用于采集电表数据

和软启动器参数；另一路用于采集流量计与摄像头数据。

2．6数据通信

2．3图像数据检测

当有人进入供水室时，将导致红外传感器的输出由高电平

泵站控制器系统基于mbed-rtos实时操作系统操作系统，

万方数据

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单片机接口

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485 1A

图4 RS-485通信电路设计

mbed—rtos实现了线程控制、线程同步、线程间通讯、线程调

度等功能。软件运行流程如图5所示，系统运行时分为3个线

程。线程1用于处理数据以及处理事件。当检测到MQTT接

收缓存中有新的数据时，线程1负责解析其中的命令，然后执

行相应的操作，同时线程1还负责处理按键操作等外部事件。

线程2为MQTT工作线程，负责完成泵站与数据中心的通信。

线程3是数据采集线程，它的作用是定时采集各传感器数据，

负责将数据存储到SD卡，同时还负责进行传感器故障检测。

之所以单独使用一个线程采集传感器数据的原因是，传感器数

据读取过程中需要加入较多的延时，以等待设备进入正常工作

状态，这会阻塞其他实时操作，因此使用单独的一个线程采集

传感器数据一

值等。应用层软件对泵站的数据进行实时处理，计算是否达到

报警条件。

由于应用层软件需要对大量的泵站进行集中管理，而泵站

向数据中心上传的JSON数据需要经过解析后才能存入

MySQL关系型数据库，当数据量较大时可能造成数据库崩

溃。因此引入数据库MongoDB，其特点是性能高、易于部署，

数据存储流程简单，可以直接存储泵站上传至数据中心的

JSON数据。以MongoDB作为数据缓存层，应用层软件单独

开辟一条线程轮询MongoDB中的数据，数据经过处理后存入

MySQL数据库。通过调取MySQL数据库信息实现历史数据

查询功能。

系统测试

在实际测试环境中，泵站收到取水指令后均能稳定的发出

计费报文。报文格式如下：

JsonSendPacket：：FinishPacket：{

”SBBH”：”GBC000M23”，

”BZID”：”20160824141443909”，

”SBSJ”：’’20160825163812”，

”JF¨ ：[”l”，”0”，”0”，”W121050219941202

094301”，”0”，”0”，”0”，”1800”]，

”DC”：”44811”)

数据中心收到报文后按照特定的计费公式开始计费。并向

泵站发送反馈报文，反馈报文格式如下：

JsonRecvPacket：： UnPacketJson：

”SBBH”：”GBC000M23”，

{

图5感知层采站控制器软件流程图

”SBMM”：”WQWJTTGL”，

系统的MQTT的Qos配置为Qosl，即至少发送成功一

次。这种配置方式有可能出现重复的数据包，本设计的解决办

法是在数据包协议中加入包号信息。包号根据当前的系统时间

生成，确保了数据包的唯一性。数据中心接收到数据后通过判

断其中的包号，来排除重复的数据包。单片机定时采集传感器

状态，生成状态报文，并通过MQTT协议传送到数据中心，

实现了对泵站运行状态的监控。

”JFR”：[”0”，”0”，”0”，”W121050219941202

094301“，“0”，”0”，”0”，”1800”]，

”DC”：”44811”)

上述两条报文中，SBBH代表设备编号，BZID代表泵站编

号，SBSJ代表设备时间，JF表明该报文是计费报文，其中指出

取水用户编号为W121050219941202094301，预设的取水时间

为1800秒。SBMM代表设备密码，每台设备都有唯一的设备

密码，用于验证指令是否合法。DC代表包号，用于排除重复的

数据包。

网络层与应用层的实现

一体化泵站通过GPRS无线网络或互联网基于MQTT协

Studio开发

议与云数据中心进行通信。应用层软件在Visual

经过长期的实际测试使用，以STM32单片机为核心的一

体化泵站系统可以稳定可靠地实现灌溉取水功能，泵站实时运

行数据可以准确的传回数据中心，同时还实现了泵站计费取水、

实时查看运行数据、远程管理、历史数据查询、报警条件设置等

功能。

环境下使用C#语言开发完成，主要实现了泵站运行数据的实

时查看、远程管理、历史数据查询、报警条件设置等功能。

用户可以通过在电脑网页或者在手机App登陆，进入泵

站管理系统，实时查看泵站运行状态，网页端管理界面如图6

所示。用户可在管理系统中设定报警阈值，如电机过载报警阈

(下转第195页)

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