本文介紹的泵站智能巡檢系統(tǒng)是由華北水利水電大學(xué)李琛設(shè)計開發(fā)完成。該系統(tǒng)改變了常規(guī)的專人值守的工作模式，實現(xiàn)泵站運行狀態(tài)的遠程智能巡檢工作，最終達到自動監(jiān)測、故障報警、提前預(yù)測等功能。
泵站智能巡檢系統(tǒng)以 STM32 單片機為主控制器，采用 M-BUS 總線作為泵站狀態(tài)信息的傳輸總線。針對信息傳輸過程中受線路的損耗及外界干擾導(dǎo)致總線連接的設(shè)備減少、傳輸誤碼率高等問題，對 M-BUS 總線接口進行自適應(yīng)改進；通過 Multisim 軟件進行電路仿真并驗證其電路的可行性，仿真結(jié)果顯示改進的自適應(yīng)電路提高總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性及傳輸效率。根據(jù)泵站智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用需求，結(jié)合機智云平臺完成了系統(tǒng)的遠程通信組網(wǎng)。通過 WiFi 無線通信模塊將采集的泵站狀態(tài)信息通過單片機串口上傳至云端服務(wù)器或APP 應(yīng)用軟件；可在 APP 查看泵站的工作運行狀態(tài)，實現(xiàn)泵站遠程信息化的管理，達到管理模式的創(chuàng)新，提高工作人員的管理水平和工作效率。

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引 言

水利工程發(fā)展的一個重要趨勢是泵站自動化。不管是農(nóng)業(yè)灌溉，還是水資源的調(diào)用，泵站都扮演著重要作用。一個完整的泵站巡檢系統(tǒng)包括兩個系統(tǒng)，一個是對泵站狀態(tài)的實時采集系統(tǒng)，另一個是實時的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。良好的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是監(jiān)測整個泵站穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將泵站的運行狀態(tài)實時、準確、快速地傳送至主機管理端，通過對數(shù)據(jù)進行分析處理，做出相應(yīng)的判斷，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。

現(xiàn)如今，水利系統(tǒng)信息化建設(shè)基本實現(xiàn)自動化，但自動化效率并不高，僅能達到 50% 的運行效率，這歸根于泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的一些不足：大多數(shù)泵站采用傳統(tǒng)控制方式，只能實現(xiàn)短距離本地泵站巡檢，不能統(tǒng)籌管理控制；泵站設(shè)備與上位機通信沒有固定標準，設(shè)備之間通訊協(xié)議多樣化；缺少運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與收藏；故障自診斷功能不完善等。為此，本設(shè)計的泵站自動巡檢系統(tǒng)集合了高精度傳感器、單片機、M-BUS 總線、互聯(lián)網(wǎng)、智能算法等技術(shù)，主要目的是為工作人員減輕負擔(dān)，減少人為操作事故，提供實時監(jiān)測狀態(tài)，實現(xiàn)智能預(yù)測狀態(tài)，改善半自動化巡檢方式。

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系統(tǒng)需求分析

泵站的巡檢系統(tǒng)是實時監(jiān)測泵站的運行狀態(tài)，并將狀態(tài)信息傳輸至終端設(shè)備，便于監(jiān)控泵站運行狀態(tài)的健康情況。泵站運行的監(jiān)測往往需要有專門的工作人員常駐在泵站所在地，人為巡檢泵站的各個機組工作狀態(tài)；而泵站大多分布在偏遠郊區(qū)且相隔較遠，不方便實時得知泵站運行信息。為了改善對泵站運行監(jiān)控的不及時，設(shè)計泵站智能巡檢系統(tǒng)。2.1 系統(tǒng)需求分析根據(jù)泵站的運行原理與結(jié)構(gòu)組成，對研究設(shè)計該系統(tǒng)需要解決的實際問題，展開泵站智能巡檢系統(tǒng)的需求分析研究。泵站的智能巡檢系統(tǒng)按需求可分為五大部分：

• 對泵站機組運行狀態(tài)及運行環(huán)境信息進行獲取
• 根據(jù)獲取的信息進行數(shù)據(jù)分析預(yù)測泵站的工作狀態(tài)
• 整個系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，有故障設(shè)備時應(yīng)在不影響其他設(shè)備正常運行的情況下，及時報警反饋上級
• 具有完善的管理功能，對設(shè)備運行有良好的記錄形式

可在遠程設(shè)備對泵站進行管理控制

為了滿足泵站巡檢系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)采用以 M-BUS 通信總線為傳輸總線的有線采集系統(tǒng)，結(jié)合智能硬件設(shè)備，向泵站發(fā)送巡檢命令，穩(wěn)定收發(fā)泵站運行狀態(tài)；并通過無線通信模塊將信息上傳給云端服務(wù)器，滿足對泵站的遠程控制工作，圖1為泵站巡檢需求架構(gòu)圖。圖1 泵站巡檢需求架構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

泵站的智能巡檢系統(tǒng)是指在智能終端可實時查看泵站的運行狀態(tài)、系統(tǒng)的健康運行情況，通過命令控制自動化設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作；同時具有異常報警、狀態(tài)分析及歷史存儲的綜合自動化系統(tǒng)。根據(jù)對泵站的需求統(tǒng)計，此系統(tǒng)需具備泵站信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及對泵站的遠程控制、監(jiān)測等功能來完成對泵站運行狀態(tài)的智能巡檢工作。

2.3 系統(tǒng)總體介紹

為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的預(yù)期功能，系統(tǒng)設(shè)計由硬件部分和軟件部分組成，通過軟硬件結(jié)合協(xié)調(diào)完成對泵站運行狀態(tài)的監(jiān)管。泵站巡檢系統(tǒng)的硬件部分由對微控制器選型設(shè)計、巡檢功能設(shè)計、供電模塊設(shè)計、顯示設(shè)備設(shè)計、各類傳感器設(shè)計及通信電路設(shè)計等組成；硬件連接泵站設(shè)備獲取泵站信息并進行傳輸控制。軟件部分主要包括控制程序的設(shè)計、通信協(xié)議的設(shè)定、遠程終端的設(shè)計等，通過程序調(diào)用相輔相成發(fā)揮智能硬件作用。

1）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)泵站狀態(tài)巡視監(jiān)測的功能，泵站狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為現(xiàn)場從機數(shù)據(jù)采集層、主機控制層、遠程管理層。圖2為泵站巡檢硬件結(jié)構(gòu)圖?，F(xiàn)場從機采集層主要是由現(xiàn)場監(jiān)測裝置和數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器對泵站的的工作環(huán)境、泵站機組的工作溫度、轉(zhuǎn)速等進行實時采集，將采集到的參數(shù)傳輸送數(shù)據(jù)分析層進行分析處理。圖2泵站巡檢硬件結(jié)構(gòu)圖主機控制層是指對 M-BUS 傳輸?shù)男畔⑦M行處理后，當運行狀態(tài)有故障發(fā)生時，具有報警提醒功能；根據(jù)運作情況控制泵站從機設(shè)備的啟停、泵站機組的電壓電流、泵站水位閥門的開關(guān)；主機控制層外接顯示設(shè)備，工作人員可根據(jù)顯示情況直觀觀測到運行情況，能及時發(fā)現(xiàn)故障點；建立主機與 WiFi 模塊通信信道，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。遠程管理層是由遠程移動設(shè)備、云端服務(wù)器構(gòu)成的，主要是將接收到的泵站狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至遠程終端設(shè)備上，工作人員可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)登錄軟件查看泵站運行狀態(tài)，進行監(jiān)測、分析、故障診斷、維修安排，方便對泵站運行進行管理。

2）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計遵循軟件工程設(shè)計的模塊化思想，將泵站巡檢系統(tǒng)的功能模塊化，分為數(shù)據(jù)采 集通信模塊、無線通信模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、移動應(yīng)用終端等組成，圖3為軟件結(jié)構(gòu)圖。圖3軟件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集通信模塊主要是建立獲取現(xiàn)場傳感器監(jiān)測的泵站運行狀態(tài)之間的協(xié)議，定時下發(fā)詢問命令，檢測泵站機組是否在線工作，如若在線工作，在接收到詢問信息后，自動給主機回送在線命令，并發(fā)送采集的設(shè)備信息。

無線通信模塊是負責(zé)建立 MCU 與云服務(wù)器的通信，為遠程監(jiān)控泵站狀態(tài)充當橋梁作用。無線通信保證移動客戶端的泵站數(shù)據(jù)實時更新，實時傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器，同時向MCU 發(fā)送故障診斷數(shù)據(jù)請求和控制命令。

故障報警模塊是將獲取的泵站狀態(tài)與設(shè)定的正常值進行對比分析，如若不超過標準值，表示設(shè)備正常運行；若不在標準值范圍，啟動報警裝置，提醒工作人員檢查泵站運行設(shè)備。

泵站狀態(tài)數(shù)據(jù)分析處理層是將采集的數(shù)據(jù)進行運算處理。如若泵站的部分信息超過正常運行值，將引發(fā)故障報警，及時提醒工作人員監(jiān)測；同時控制中心接收到故障值信息，啟動控制設(shè)備對泵站運行狀態(tài)進行調(diào)控。數(shù)據(jù)處理層還包括對泵站信息的存儲、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和查詢功能。

移動 APP 的建立是通過機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺與 APICloud 連接搭建的，為了方便實時查詢泵站數(shù)據(jù)，便于遠程診斷。

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系統(tǒng)硬件設(shè)計

泵站巡檢系統(tǒng)的硬件部分由從機和主機構(gòu)成。主機主要負責(zé)接受從機數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)上傳及控制命令的收發(fā)，要求同時與多個從機相通訊，實時性要好，因此要選用處理芯片速度要快；從機部分主要是接受水位、流速、壓力、轉(zhuǎn)速等多個傳感器采集到的信息，由于傳感器采集的信號為模擬電信號，單片機不能直接對模擬信號進行讀取，對采集信號做 AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并對信號進行數(shù)字處理后將傳感器信息上傳給主機。泵站需要連接多個傳感器，要求控制芯片要有足夠的外部接口。硬件系統(tǒng)的健康運行是保證整體系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵一步。3.1泵站巡檢系統(tǒng)的主機硬件模塊

主機系統(tǒng)的功能是接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲并分析數(shù)據(jù)狀態(tài)；在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)泵站運行狀態(tài)信息不符合正常工作狀態(tài)時，可以發(fā)送報警功能；將泵站信息實時顯示在監(jiān)控顯示屏上，并且通過 WiFi 模塊把數(shù)據(jù)上傳至云端，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，主要功能電路圖如圖4所示。

圖4 主機設(shè)備結(jié)構(gòu)圖1）主機控制模塊

主機的核心控制模塊采用單片機 STM32F10x 系列，根據(jù)幾款型號的STM32F10x 系列微處理器進行對比，由于STM32F103 系列芯片具有處理速度快、內(nèi)部存儲空間大,可擴展結(jié)構(gòu)多等優(yōu)點。最終選用STM32F103RCT6 型號芯片。圖5為 STM32F103RCT6 原理圖。圖5STM32F103RCT6 原理圖2）電源模塊

主機要驅(qū)動人機交互設(shè)備、無線 WiFi 模塊等設(shè)備工作，需要用到 5V 和 3.3V 電壓。圖6是主機電源模塊，24V 外部電源經(jīng)過 Lm2575-5 降壓芯片后降壓到 5V，5V 電壓經(jīng)過 AMS117-3.3 后將電壓降到 3.3V 供給微控制器、存儲模塊和時鐘模塊使用。圖6主機電源電路

3）存儲模塊

從機將采集到的設(shè)備信息發(fā)送給主機，并存儲在主機存儲芯片，在查詢歷史記錄時便于查詢到相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)及操作指令。系統(tǒng)存儲模塊選用的 AT24C256 芯片，具有對硬件的寫保護功能及對軟件數(shù)據(jù)保護功能。圖7 所示為 AT24C256 電路圖。圖7 AT24C256 電路圖

4）無線通信模塊

要實現(xiàn)泵站智能巡檢系統(tǒng)的主機與智能終端設(shè)備的通信，便要借助無線通信。常考慮 WiFi 模塊具有高帶寬，傳輸快，可擴展性強，普及度高，實際應(yīng)用方便、成本低等性能優(yōu)點，便采用ESP8266 WiFi 模塊作為網(wǎng)絡(luò)通信方式。此芯片的原理圖如圖8 所示。 圖8 ESP8266原理圖

ESP8266 WiFi 模塊通過串口與 STM32 主機芯片進行通訊，RXD 為接收數(shù)據(jù)引腳，連接單片機 TX 引腳，從單片機中獲取數(shù)據(jù)；TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，連接單片機 RX 引腳，向單片機發(fā)送接受數(shù)據(jù)返回值。

5）觸控顯示設(shè)備

在泵站智能檢測系統(tǒng)中，由于需要監(jiān)測的參數(shù)多，普通的數(shù)碼管與 LED 點陣屏不 能實現(xiàn)直觀顯示，系統(tǒng)采用 TJC8048X570_011C 的 5 英寸電容顯示屏作為顯示設(shè)備。下圖9為顯示屏的實際圖。使用該串口顯示屏需要注意不要重復(fù)供電，重復(fù)供電容易超出工作電壓范圍，造成燒毀芯片。圖9 顯示屏電路板3.2 泵站巡檢系統(tǒng)的從機硬件模塊

從機電路主要是由多個功能相同的從機構(gòu)成的，主要功能是監(jiān)測泵站的運行水位情況、流速狀態(tài)、電壓情況、機組溫度等運行情況及外設(shè)控制設(shè)備，需用到多路傳感器及開關(guān)電路。1）從機的 MCU 核心模塊

從機負責(zé)獲取泵站的狀態(tài)信息及對設(shè)備的控制，要連接泵站的多個傳感器與控制設(shè) 備。當從機接受到主機的命令后，依次將采集到的各泵站的狀態(tài)信息發(fā)送到主機上。由于一些采集信號為模擬信號，需要將信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換；存儲芯片與單片機連接需要用到串口或者 IIC 端，單片機需要具備這些功能。主機選用的 STM32F103 單片機芯片同樣滿足從機需求，便采用同樣的芯片。

2）電源模塊

為了保證各模塊的供電電壓統(tǒng)一采用外部 24V 電源供電。從機電源電路如圖 3-7 所示。從機設(shè)備連接的泵站控制閥和輸入 4~20mA 的電流轉(zhuǎn)換芯片需要 12V 工作電壓，采用 LM2575 芯片；而信號轉(zhuǎn)換器（AD 轉(zhuǎn)換）和單片機工作需要對 12V 電壓再降壓，采用 AMS1117 使 12V 電壓轉(zhuǎn)為 5V 和 3.3V 供單片機工作。

圖10 從機電源電路3）傳感器類型

泵站運行中需要監(jiān)測多個參數(shù)，通過傳感器實現(xiàn)對泵站運行狀態(tài)監(jiān)測，下面對幾種監(jiān)測傳感器展開介紹。

• 電磁流量計

采用 53W-1HHC0B1 電磁流量計來監(jiān)測泵站工作的流量信息，當測量導(dǎo)電液體通過時產(chǎn)生的電動勢得出液體流量，流量計可雙向測量使用，具有設(shè)備自我監(jiān)測、診斷功能。

• 液體傳感器

本系統(tǒng)選用投入式液位傳感器 WL-400F，該傳感器采用防腐材料設(shè)計，具有耐水性能良好、高精度測量芯體，防彎折設(shè)計等特點。投入式液位傳感器技術(shù)指數(shù)如表1所示。

表1液位傳感器技術(shù)參數(shù)

• 繼電器

繼電器是通過低電平去控制高電平的的電子器件，通過控制泵站中繼電器的開關(guān)情況進而控制泵站的運行狀態(tài)；繼電器設(shè)備在電路中還具有自動調(diào)節(jié)功能，可防止線路被燒壞。圖11為繼電器驅(qū)動電路。

圖11繼電器電路3.3 M-BUS 通信電路

通過根據(jù) M-BUS 傳輸特性設(shè)計 M-BUS 自適應(yīng)接口電路，使其能自動調(diào)整適應(yīng)總線電流、電壓變化，降低傳輸過程中線路的干擾，通過電路仿真軟件 Multisim 對設(shè)計電路進行仿真實驗。

1）M-BUS 從機通訊接口

M-BUS 從機接口主要是連接 M-BUS 總線，將單片機采集到的泵站運行狀態(tài)信息通過從機 M-BUS 接口傳送到 M-BUS 總線發(fā)送給主機。主機向從機發(fā)送采集命令，從機接受到命令后，有序的將采集的泵站信息發(fā)送給主機。主機與從機之間的通信功能通過 TSS721A 芯片采用對應(yīng)的 M-BUS 通信協(xié)議實現(xiàn)，而M-BUS 的通訊主要是通過總線收發(fā)芯片 TSS721A 來實現(xiàn)。如圖12 所示是從機通信電路。圖12 從機通信電路2）M-BUS 主機通信電路

M-BUS 主機要實現(xiàn)與從機的相互通信及向從機發(fā)送命令功能。主機接收從機信號，需要將從機電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，再將電壓變化轉(zhuǎn)化為邏輯電平信號。

• 主機發(fā)送電路

主機 MCU 與主機發(fā)送電路通過 TXD 串口連接，為了防止電路干擾，將 MCU 與發(fā) 送電路之間連接光耦進行電路隔離。圖13 為主機下行發(fā)送電路。圖 13M-BUS 主機發(fā)送電路

• 主機接收電路

主機接收電路是通過電流調(diào)制接收從機發(fā)送給主機數(shù)據(jù)的電路，將總線電流的變化調(diào)制為邏輯電平信號，但主機串口能接受的信號格式為 3.3V 和 0V 的邏輯電平信號，故在接收電路中要將電流調(diào)制情況轉(zhuǎn)換為邏輯電平電路。主機接收電路如圖14。

圖14 M-BUS 主機接收電路

3）驗證電路

將 M-BUS 上行接收電路在 Multisim 軟件中做電路仿真實驗，對采樣電阻兩端的電壓和比較器輸出的電壓做對比分析，圖15為搭建的 M-BUS 上行仿真電路。圖15M-BUS 主機接收電路的仿真圖

由圖16采集的電壓波形圖可知，根據(jù)電壓波形圖分析得出采樣電阻兩端的邏輯電平和比較器輸出端的邏輯電平保持一致，通過電路仿真驗證設(shè)計的主機接收電路具有電流轉(zhuǎn)換電壓信號的功能，驗證電路的可行性。圖16電壓波形分析圖

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系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主從巡檢設(shè)備的軟件設(shè)計泵站智能巡檢系統(tǒng)功能的設(shè)計是在 KEIL 軟件上開發(fā)編程的。其程序開發(fā)界面如圖17所示。泵站巡檢系統(tǒng)的開發(fā)語言選用 C 語言。完成編譯與調(diào)試后的程序代碼，選擇仿真器類型燒寫至主控芯片的內(nèi)部存儲模塊中，點擊“下載”就可以完成下載程序。采用 KEIL 對單片機編程的步驟如圖18。圖17KEIL 編程環(huán)境 圖18 單片機編程開發(fā)流程

1）系統(tǒng)主程序設(shè)計

STM32F103RCT6 作為泵站巡檢系統(tǒng)的主控芯片，要求能實現(xiàn)以下功能：接受泵站現(xiàn)場的各傳感器采集泵站的運行狀態(tài)、監(jiān)測水位、機組溫度等狀態(tài)信息，對采集信息進行分析判斷處理，并向下發(fā)送執(zhí)行機構(gòu)的控制命令等。為了方便后期對泵站巡檢系統(tǒng)的維護與功能擴展，在軟件的設(shè)計中采用模塊化設(shè)計方式。圖19為系統(tǒng)模塊功能。

圖19 系統(tǒng)功能模塊在對泵站進行巡檢監(jiān)測時，首先對各個子模塊進行初始化設(shè)計，并測試各模塊間的通信功能；在從機設(shè)備接受到主機發(fā)送的巡檢請求命令后，將執(zhí)行采集命令，并將采集的信息做判斷后，發(fā)送給主機，如若工作的狀態(tài)有異?，F(xiàn)象，將啟動報警模塊，提醒泵站運行狀態(tài)異常。圖20為系統(tǒng)主程序圖。圖20 系統(tǒng)主程序圖

2）系統(tǒng)通信程序設(shè)計

泵站的主機與從機收發(fā)信息均需要一定的協(xié)議，系統(tǒng)采用的是 M-BUS 總線通信，就要遵循 M-BUS 的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。接口電路接收到主機發(fā)送到從機的命令，根據(jù)數(shù)據(jù)域的指令，執(zhí)行相應(yīng)動作。數(shù)據(jù)域中的協(xié)議命令如表2所示。圖21為通信程序流程圖。表2泵站系統(tǒng)的操作指令圖21通信程序流程圖3）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

要實現(xiàn)對泵站的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，就需要獲取各個運行參數(shù)，而運行狀態(tài)參數(shù)包含多種信號形式，很難自動測量采樣，而且MCU 能識別的信號僅為數(shù)字信號，要對各種狀態(tài)信號進行轉(zhuǎn)換。因此，為了使系統(tǒng)能對泵站運行參數(shù)直接采樣獲取，需先將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為標準信號模式。數(shù)據(jù)采集信號軟件流程如圖22所示。

圖22數(shù)據(jù)采集流程圖4）報警程序設(shè)計

根據(jù)不同情況劃分報警事件類型，有通信線路故障、運行狀態(tài)超出閾值、設(shè)備故障無法正常啟動等多種故障形式。當發(fā)生故障事件時，系統(tǒng)檢測到故障信號，發(fā)出警告命令提醒工作人員泵站運行有故障發(fā)生，同時對數(shù)據(jù)進行記錄存儲，便于使用智能算法根據(jù)大數(shù)據(jù)分析故障問題。圖23為故障報警程序流程圖。圖23故障報警程序流程圖5）歷史查詢程序設(shè)計

根據(jù)存儲的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)可以對泵站運行進行建模分析，對運行狀態(tài)進行預(yù)測、判斷，提前做好防御工作。歷史記錄模塊管理設(shè)計人性化，工作人員可以直接登錄工號操作，點擊查詢、保存等就可以直接進行相應(yīng)操作，方便直觀。查詢的內(nèi)容可以看到事件時間、事件狀態(tài)、故障原因、故障點和操作人員信息等信息。

6）WiFi通信設(shè)計

在程序中設(shè)定，當單片機或 WiFi 模塊向?qū)Ψ桨l(fā)送請求命令時，接受命令方須返回響應(yīng)指令；設(shè)備上電初始化完成后，STM32 單片機發(fā)送按鍵命令用來選擇 WiFi 入網(wǎng)模式，有 Airlink 和 SoftAP兩種接入云端模式。控制命令是 WiFi 模塊發(fā)送的控制單片機的指令；心跳命令是用來監(jiān)測 WiFi 模塊與單片機是否正常通信的命令；在程序中設(shè)置連續(xù) 220ms 單片機未接收心跳命令，則判定通信失敗，需要重啟 WiFi 模塊。圖24 為 WiFi 通信流程圖。 圖24WiFi 通信流程圖為了實現(xiàn)硬件與機智云平臺的相互通信，須在 WiFi 模塊上植入通訊固件 GAgent，并通過 Gizwits 協(xié)議接入機智云云端服務(wù)器。GAgent 具有良好的通訊性能且不受平臺的約束，被廣泛用于設(shè)備數(shù)據(jù)、機智云端、APP 之間做通信橋梁。GAgent 固件燒錄進ESP8266 模塊中，實現(xiàn)與云端的通信，可以將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云端數(shù)據(jù)上傳至 APP 端，也可以將云端數(shù)據(jù)通過 WiFi 模塊傳送至單片機供設(shè)備使用。

4.2 顯示設(shè)備的設(shè)計

觸摸顯示設(shè)備采用的是 TFT 彩色觸控液晶屏，該顯示設(shè)備可以顯示文字與圖片，但是需要對顯示內(nèi)容進行取模，通過取模軟件，將漢字轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 16 進制字模，LCD 顯示函數(shù)調(diào)用字模數(shù)組即可顯示對應(yīng)的漢字。

該顯示設(shè)備與單片機通過十六進制碼完成通信，單片機獲取到的泵站信息要傳送給顯示裝置，需要遵循顯示語言規(guī)則，要在 KEIL 軟件上編輯系統(tǒng)程序語言，將采集到的泵站狀態(tài)顯示到相應(yīng)的狀態(tài)欄中。圖25 為串口顯示界面

圖25串口顯示界面

05

移動端APP設(shè)計

為了方便對泵站運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)控，可以將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，通過移動終端對泵站狀態(tài)進行監(jiān)測并控制泵、閥的啟停，實現(xiàn)泵站的現(xiàn)代信息化運行，達到管理模式創(chuàng)新。當泵站運行出現(xiàn)疑難故障問題時，還可以請專家根據(jù)遠程實時狀態(tài)進行科學(xué)分析，便于及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。云服務(wù)器作為一種新生技術(shù)順勢而生。云服務(wù)器不僅能夠滿足開發(fā)者對服務(wù)器的需求，而且所需要的的項目成本低廉，有現(xiàn)成模塊可以直接拿來使用，加快了對軟件的開發(fā)速度。像機智云平臺是智能硬件開發(fā)與云服務(wù)平臺，可以面向個人、企業(yè)開放使用。機智云還提供 APP 與微信小程序的 SDK，只需要在該基礎(chǔ)上進行修改，即可以對移動端應(yīng)用進行開發(fā)。

5.1 APP開發(fā)

泵站巡檢系統(tǒng)的移動端 APP 是機智云平臺與 APICloud 兩個軟件相結(jié)合完成的，機智云平臺提供自助式的智能硬件開發(fā)和開放的云服務(wù)器，包括機智云端、機智云設(shè)備端和 SDK，如圖26所示。APICloud 平臺通過服務(wù)的方式將 API 提供給開發(fā)者，幫助開發(fā)者降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，迅速實現(xiàn)云端一體化。圖26 機智云平臺的基本構(gòu)造機智云平臺作為國內(nèi)最大的智能硬件自主開發(fā)和云服務(wù)平臺主要涉及設(shè)備、云服務(wù)和手機三大部分。機智云中 WiFi 設(shè)備包含兩個部分，一部分 GAgent 的作用是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它是設(shè)備數(shù)據(jù)、云服務(wù)和手機之間的數(shù)據(jù)橋梁；另一部分 MCU 的作用是直接與硬件設(shè)備的通訊。

對于設(shè)備接入云端服務(wù)器有兩種方式，本系統(tǒng)采用的是 MCU 方案，主要對該方案展開研究，機智云的接入導(dǎo)向如圖27所示。將傳感器采集到的狀態(tài)信息通過總線方式發(fā)送至 MCU，智能硬件獲取的信息通過 MCU 串口協(xié)議連接的通信模塊 WiFi 發(fā)送至云端 API，WiFi 模塊 GAgent 部分的作用就是發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖27MCU 與云端通信

5.2 APP 開發(fā)流程

對于泵站巡檢系統(tǒng)來說，要在移動端 APP 上實現(xiàn)對泵站運行狀態(tài)實時查詢，對運行設(shè)備的控制管理，對歷史狀態(tài)的查詢，警示提醒功能等。實現(xiàn)的第一步需要把存儲在MCU 中的傳感器采集到的泵站狀態(tài)信息通過 WiFi 設(shè)備的 GAgent 功能發(fā)送至云端。首先將實體設(shè)備建立 Product Key，創(chuàng)建新的檔案，系統(tǒng)自動生成 Product Key，如圖28創(chuàng)建數(shù)據(jù)點。

圖28 創(chuàng)建設(shè)備數(shù)據(jù)點

在產(chǎn)品檔案中創(chuàng)建一個應(yīng)用，添加設(shè)備端數(shù)據(jù)通信口，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸形式，圖29為傳輸形式的選擇。圖29選擇硬件連接方案在基本信息中找到 Product Key 對應(yīng)的 Product Secret 的密鑰，復(fù)制粘貼到 MCU 開發(fā)中的空白處，使得傳感器數(shù)據(jù)點與 MCU 連接，生成源代碼。將代碼下載至本地，打開下載的文件復(fù)制 Gizwits 文件夾到泵站巡檢系統(tǒng)的 KEIL 文件夾中，植入與機智云平臺的連接代碼，如圖30。圖30 生成的硬件 MCU 連接代碼

創(chuàng)建硬件設(shè)備端與機智云云端服務(wù)器的連接后，要進行 APP 的開發(fā)設(shè)計，良好的APP 軟件可以更方便更直觀的觀測到泵站的狀態(tài)，帶來良好的用戶體驗，同時也會發(fā)揮出設(shè)備的價值，逐漸豐富對泵站的智能化設(shè)計。在 APICloud 平臺上，植入機智云提供的 APP 源碼，具體操作如下：

步驟一：在 GitHub 下載機智云提供的 APP demo 工程源碼。

步驟二：將源碼導(dǎo)入到 APICloud 中。在 APICloud 中每個應(yīng)用都有自己的 ID，demo 程序中沒有 ID，需要新創(chuàng)建一個項目，獲取 ID。

步驟三：將下載的 demo 中的源碼程序移植到新創(chuàng)項目中，參數(shù)配置為自己賬戶的數(shù)據(jù)。新創(chuàng)項目中的 config.xml 是 APICloud 提供的配置文件，包括 ID、賬戶、模塊引入。每個項目的 config.xml 都不相同。

• 步驟四：將項目同步到云端。

步驟五：登錄 APICloud 平臺，找到 APICloud SVN 提交的項目，并進入項目管理頁面。

步驟六：APICloud 會根據(jù)源碼中使用到的模塊自動添加相應(yīng)的模塊，再通過對模塊庫搜索 GizwifiSDK，手動添加機智云 SDK。

步驟七：此時的源碼中還需要添加安卓和 IOS 的 APPID 和 APPSecret，并設(shè)置機智云創(chuàng)建的 ProductKey，需要從機智云官網(wǎng)中獲取。

步驟八：點擊菜單欄進行云編輯，選擇運行平臺，等待編譯接受打包完成，下載安裝包進行安裝，安裝成功便可通過 APP 進行測試。在手機 APP 開發(fā)過程中，可以根據(jù)不同的需求在源碼中添加模塊；還可以通過 UI 界面設(shè)計，使得 APP 界面變得美觀整潔。

06

系統(tǒng)整體測試

6.1 WiFi 無線模塊的調(diào)試WiFi 模塊作為泵站巡檢信息無線傳輸階段，對整個智能遠程系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣具有決 定性作用。通過閃爍 LED 燈來測試 WiFi 硬件電路的收發(fā)性能。圖31為 WiFi 電路測試圖。

圖31 WiFi 硬件電路通信測試

完成對 WiFi 硬件電路功能測試后，需測試 WiFi 模塊的網(wǎng)絡(luò)通信功能。將 WiFi 模塊通過串口與 PC 機連接，在 PC 機打開串口調(diào)試助手和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上創(chuàng)建 UDP 協(xié)議，通過串口調(diào)試助手發(fā)送指令通過串口控制 WiFi 模塊，完成 UDP協(xié)議配置并向指定的 IP 地址和端口號發(fā)送數(shù)據(jù)。圖32為 WiFi 通信測試時網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手的配置與數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)顯示。

圖32WiFi 通信測試

6.2 系統(tǒng)整體性能調(diào)試

通過實驗對泵站智能巡檢系統(tǒng)做整體性能測試。由于實驗室條件有限，僅對泵站的水位、溫度、電壓、電流參數(shù)進行實時監(jiān)控。在模擬現(xiàn)場安裝液位傳感器、溫度傳感器和電表采集實驗設(shè)備的狀態(tài)信息，采集到的信息經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后通過 M-BUS 總線發(fā)送至主機控制端，再由主機控制端的 WiFi 模塊上傳至機智云云端。在移動設(shè)備上登錄巡檢 APP 可實時查看泵站巡檢的狀態(tài)信息，實現(xiàn)遠程監(jiān)控泵站狀態(tài)的要求，減少專人值守泵站的工作方式，提高泵站狀態(tài)的預(yù)警管理模式。下圖33、圖34為實驗室狀態(tài)下模擬泵站巡檢系統(tǒng)，圖35為設(shè)計的 APP 與巡檢系統(tǒng)通信圖。圖33實驗室模擬泵站工作環(huán)境圖34巡檢采集過程圖35 APP 通信測試圖

通過對泵站智能巡檢系統(tǒng)的整體測試，顯示該系統(tǒng)具有良好的實時性通信功能，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以適用于長時間泵站巡檢工作，減少人力浪費，實現(xiàn)資源最優(yōu)配置。

07

總 結(jié)

本文研究的基于 M-BUS 總線的泵站智能巡檢系統(tǒng)，對系統(tǒng)搭建模型進行調(diào)試實驗，其運行結(jié)果驗證了巡檢系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)對本文工作總結(jié)如下：通過確定數(shù)據(jù)傳輸和巡檢系統(tǒng)的總體方案，完成系統(tǒng)硬件搭建。對獲取泵站運行狀態(tài)參數(shù)的方式進行技術(shù)掌握后，選擇 M-BUS總線為傳輸總線。系統(tǒng)主控芯片選用 STM32F103 型號單片機，并搭建電源電路、信號轉(zhuǎn)換電路等外圍功能電路。對 M-BUS 總線接口做了自適應(yīng)改進，在總線傳輸過程中，通過調(diào)節(jié)接口電路中的反饋電阻實現(xiàn)電路的自適應(yīng)功能。同時，基于機智云平臺創(chuàng)建 APP，建立主機與 APP 之間的雙向通信模式。工作人員通過登錄移動 APP 賬號，可對泵站運行狀態(tài)信息進行實時查詢。