【IoT毕设】基于机智云物联网云平台+STM32单片机的泵站智能巡检系统

  原标题：【IoT毕设】基于机智云物联网云平台+STM32单片机的泵站智能巡检系统

  本文介绍的是由华北水利水电大学李琛设计的泵站智能巡检系统，该系统改变了常规的专人值守的工作模式，实现泵站运作时的状态的远程智能巡检工作，达到自动监测、故障报警、等功能。

  泵站智能巡检系统以 STM32 单片机为主控制器，采用 M-BUS 总线作为泵站状态信息的传输总线。针对信息传输过程中受线路的损耗及外界干扰导致总线连接的设备减少、传输误码率高等问题，对 M-BUS 总线接口进行自适应改进；通过 Multisim 软件进行电路仿真并验证其电路的可行性，仿真结果为改进的自适应电路提高总线传输的稳定性及传输效率。

  根据泵站智能巡检系统的应用需求，结合机智云平成了系统的远程通信组网。通过 WiFi 无线通信模块将采集的泵站状态信息通过单片机串口上传至云端服务器或APP 应用软件；可在 APP 查看泵站的工作运作时的状态，实现泵站远程信息化的管理，达到管理模式的创新，提升工作人员的管理上的水准和工作效率。

  当今水利工程发展的一个重要趋势是泵站自动化。不管是农业灌溉，还是水资源的调用，泵站都扮演着及其重要的作用。一个完整的泵站巡检系统包括两个系统，一个是对泵站状态的实时采集系统，另一个是实时的数据传输系统。良好的数据采集和传输系统是监测整个泵站稳定运行的关键环节，将泵站的运作时的状态实时、准确、快速的传送至主机管理端，通过对数据来进行分析处理，做出相应的判断，是保证系统稳定运行的前提。

  现如今水利系统信息化建设基本实现自动化，但自动化效率并不高，仅能达到 50% 的运行效率，这归根于泵站监控系统中的一些不足：大多数泵站采用传统控制方式，只能实现短距离本地泵站巡检，不能统筹管理控制；泵站设备与上位机通信没有固定标准，设备之间通讯协议多样化；缺少运行数据的统计与收藏；故障自诊断功能不完善等。为此，本设计的泵站自动巡检系统集合了高精度传感器、单片机、M-BUS 总线、互联网、智能算法等技术，主要目的是为工作人员减轻负担，减少人为操作事故，提供实时监测状态，实现智能预测状态，改善半自动化巡检方式。

  泵站的巡检系统是实时监测泵站的运行状态，并将状态信息传输至终端设备，便于监控泵站运行状态的健康情况。泵站运行的监测往往需要有专门的工作人员常驻在泵站所在地，人为巡检泵站的各个机组工作状态；而泵站大多分布在偏远郊区且相隔较远，不方便实时得知泵站运行信息。为了改善对泵站运行监控的不及时，设计泵站智能巡检系统。

  根据泵站的运行原理与结构组成，对研究设计该系统需要解决的实际问题，展开泵站智能巡检系统的需求分析研究。

  3. 整个系统要稳定可靠，有故障设备时应在不影响其他设备正常运行的情况下，及时报警反馈上级；

  为了满足泵站巡检系统的需求，本系统采用以 M-BUS 通信总线为传输总线的有线采集系统，结合智能硬件设备，向泵站发送巡检命令，稳定收发泵站运行状态；并通过无线通信模块将信息上传给云端服务器，满足对泵站的远程控制工作，图1为泵站巡检需求架构图。

  泵站的智能巡检系统是指在智能终端可实时查看泵站的运行状态、系统的健康运行情况，通过命令控制自动化设备执行相应操作；同时具有异常报警、状态分析及历史存储的综合自动化系统。根据对泵站的需求统计，此系统需具备泵站信息采集、数据传输、数据处理、数据显示以及对泵站的远程控制、监测等功能来完成对泵站运行状态的智能巡检工作。

  为了实现本系统的预期功能，系统设计由硬件部分和软件部分组成，通过软硬件结合协调完成对泵站运行状态的监管。泵站巡检系统的硬件部分由对微控制器选型设计、巡检功能设计、供电模块设计、显示设备设计、各类传感器设计及通信电路设计等组成；硬件连接泵站设备获取泵站信息并进行传输控制。软件部分主要包括控制程序的设计、通信协议的设定、远程终端的设计等，通过程序调用相辅相成发挥智能硬件作用。

  根据泵站状态巡视监测的功能，泵站状态巡检系统的硬件结构可以分为现场从机数据采集层、主机控制层、远程管理层。图2为泵站巡检硬件结构图。现场从机采集层主要是由现场监测装置和数据采集单元通过传感器对泵站的的工作环境、泵站机组的工作温度、转速等进行实时采集，将采集到的参数传输送数据分析层做多元化的分析处理。

  主机控制层是指对 M-BUS 传输的信息进行处理后，当运作时的状态有故障发生时，具有报警提醒功能；根据运作情况控制泵站从机设备的启停、泵站机组的电压电流、泵站水位阀门的开关；主机控制层外接显示设备，工作人员可根据显示情况直观观测到运行情况，能及时发现故障点；建立主机与 WiFi 模块通信信道，实现网络通信。

  远程管理层是由远程移动设备、云端服务器构成的，主要是将接收到的泵站状态信息通过网络协议传输至远程终端设备上，工作人员可随时随地通过互联网登录软件查看泵站运作时的状态，进行监测、分析、故障诊断、维修安排，方便对泵站运行进行管理。

  本系统的软件设计遵循软件工程设计的模块化思想，将泵站巡检系统的功能模块化，分为数据采 集通信模块、无线通信模块、故障报警模块、数据分析处理模块、移动应用终端等组成，图3为软件结构图。

  *数据采集通信模块主要是建立获取现场传感器监测的泵站运作时的状态之间的协议，定时下发询问命令，检测泵站机组是否在线工作，如若在线工作，在接收到询问信息后，自动给主机回送在线命令，并发送采集的设备信息。

  *无线通信模块是负责建立 MCU 与云服务器的通信，为远程监控泵站状态充当桥梁作用。无线通信保证移动客户端的泵站数据实时更新，实时传输数据至服务器，同时向MCU 发送故障诊断数据请求和控制命令。

  *故障报警模块是将获取的泵站状态与设定的正常值进行对比分析，如若不超过标准值，表示设备正常运行；若不在标准值范围，启动报警装置，提醒工作人员检查泵站运行设备。

  *泵站状态数据分析处理层是将采集的数据进行运算处理。如若泵站的部分信息超过正常运行值，将引发故障报警，及时提醒工作人员监测；同时控制中心接收到故障值信息，启动控制设备对泵站运作时的状态进行调控。数据处理层还包括对泵站信息的存储、历史数据的调用和查询功能。

  *移动 APP 的建立是通过机智云物联网平台与 APICloud 连接搭建的，为了方便实时查询泵站数据，便于远程诊断。

  泵站巡检系统的硬件部分由从机和主机构成。主机主要负责接受从机数据、显示数据、网络上传及控制命令的收发，要求同时与多个从机相通讯，实时性要好，因此要选用处理芯片速度要快；从机部分主要是接受水位、流速、压力、转速等多个传感器采集到的信息，由于传感器采集的信号为模拟电信号，单片机不能直接对模拟信号进行读取，对采集信号做 AD 转换，转为数字信号，并对信号进行数字处理后将传感器信息上传给主机。泵站需要连接多个传感器，要求控制芯片要有足够的外部接口。硬件系统的健康运行是保证整体系统稳定的关键一步。

  主机系统的功能是接收从机发送的数据，存储并分析数据状态；在巡检过程中发现泵站运行状态信息不符合正常工作状态时，可以发送报警功能；将泵站信息实时显示在监控显示屏上，并且通过 WiFi 模块把数据上传至云端，实现远程实时监控，主要功能电路图如图4所示。

  主机的核心控制模块采用单片机 STM32F10x 系列，根据几款型号的STM32F10x 系列微处理器进行对比，由于STM32F103 系列芯片具有处理速度快、内部存储空间大,可扩展结构多等优点。最终选用STM32F103RCT6 型号芯片。图5为 STM32F103RCT6 原理图。

  主机要驱动人机交互设备、无线 WiFi 模块等设备工作，需要用到 5V 和 3.3V 电压。图6是主机电源模块，24V 外部电源经过 Lm2575-5 降压芯片后降压到 5V，5V 电压，经过 AMS117-3.3 后将电压降到 3.3V 供给微控制器、存储模块和时钟模块使用。

  从机将采集到的设备信息发送给主机，并存储在主机存储芯片，在查询历史记录时便于查询到相应的设备状态及操作指令。系统存储模块选用的 AT24C256 芯片，具有对硬件的写保护功能及对软件数据保护功能。图7 所示为 AT24C256 电路图。

  要实现泵站智能巡检系统的主机与智能终端设备的通信，便要借助无线通信。常考虑 WiFi 模块具有高带宽，传输快，可扩展性强，普及度高，实际应用方便、成本低等性能优点，便采用ESP8266 WiFi 模块作为网络通信方式。此芯片的原理图如图8 所示。

  ESP8266 WiFi 模块通过串口与 STM32 主机芯片进行通讯，RXD 为接收数据引脚，连接单片机 TX 引脚，从单片机中获取数据；TXD 为发送数据引脚，连接单片机 RX 引脚，向单片机发送接受数据返回值。

  在泵站智能检测系统中，由于需要监测的参数多，普通的数码管与 LED 点阵屏不 能实现直观显示，系统采用 TJC8048X570_011C 的 5 英寸电容显示屏作为显示设备。下图9为显示屏的实际图。使用该串口显示屏需要注意不要重复供电，重复供电容易超出工作电压范围，造成烧毁芯片。

  从机电路主要是由多个功能相同的从机构成的，主要功能是监测泵站的运行水位情况、流速状态、电压情况、机组温度等运作情况及外设控制设备，需用到多路传感器及开关电路。

  从机负责获取泵站的状态信息及对设备的控制，要连接泵站的多个传感器与控制设 备。当从机接受到主机的命令后，依次将采集到的各泵站的状态信息发送到主机上。由于一些采集信号为模拟信号，需要将信号进行 A/D 转换；存储芯片与单片机连接需要用到串口或者 IIC 端，单片机需要具备这些功能。主机选用的 STM32F103 单片机芯片同样满足从机需求，便采用同样的芯片。

  为了保证各模块的供电电压统一采用外部 24V 电源供电。从机电源电路如图 3-7 所示。从机设备连接的泵站控制阀和输入 4~20mA 的电流转换芯片需要 12V 工作电压，采用 LM2575 芯片；而信号转换器（AD 转换）和单片机工作需要对 12V 电压再降压，采用 AMS1117 使 12V 电压转为 5V 和 3.3V 供单片机工作。

  泵站运行中需要监测多个参数，通过传感器实现对泵站运作时的状态监测，下面对几种监测传感器展开介绍。

  采用 53W-1HHC0B1 电磁流量计来监测泵站工作的流量信息，当测量导电液体通过时产生的电动势得出液体流量，流量计可双向测量使用，具有设备自我监测、诊断功能。

  本系统选用投入式液位传感器 WL-400F，该传感器采用防腐材料设计，具有耐水性能良好、高精度测量芯体，防弯折设计等特点。投入式液位传感器技术指数如表1所示。

  继电器是通过低电平去控制高电平的的电子器件，通过控制泵站中继电器的开关情况进而控制泵站的运作时的状态；继电器设备在电路中还具有自动调节功能，可防止线为继电器驱动电路。

  通过根据 M-BUS 传输特性设计 M-BUS 自适应接口电路，使其能自动调整适应总线电流、电压变化，降低传输过程中线路的干扰，通过电路仿真软件 Multisim 对设计电路进行仿线）M-BUS 从机通讯接口

  M-BUS 从机接口主要是连接 M-BUS 总线，将单片机采集到的泵站运行状态信息通过从机 M-BUS 接口传送到 M-BUS 总线发送给主机。主机向从机发送采集命令，从机接受到命令后，有序的将采集的泵站信息发送给主机。主机与从机之间的通信功能通过 TSS721A 芯片采用对应的 M-BUS 通信协议实现，而M-BUS 的通讯主要是通过总线 所示是从机通信电路。

  M-BUS 主机要实现与从机的相互通信及向从机发送命令功能。主机接收从机信号，需要将从机电流变化转化为电压变化，再将电压变化转化为逻辑电平信号。

  主机 MCU 与主机发送电路通过 TXD 串口连接，为了防止电路干扰，将 MCU 与发 送电路之间连接光耦进行电路隔离。图13 为主机下行发送电路。

  主机接收电路是通过电流调制接收从机发送给主机数据的电路，将总线电流的变化调制为逻辑电平信号，但主机串口能接受的信号格式为 3.3V 和 0V 的逻辑电平信号，故在接收电路中要将电流调制情况转换为逻辑电平电路。主机接收电路如图14。

  将 M-BUS 上行接收电路在 Multisim 软件中做电路仿真实验，对采样电阻两端的电压和比较器输出的电压做对比分析，图15为搭建的 M-BUS 上行仿线 M-BUS 主机接收电路的仿线采集的电压波形图可知，根据电压波形图分析得出采样电阻两端的逻辑电平和比较器输出端的逻辑电平保持一致，通过电路仿真验证设计的主机接收电路具有电流转换电压信号的功能，验证电路的可行性。

  STM32F103RCT6 作为泵站巡检系统的主控芯片，要求能实现以下功能：接受泵站现场的各传感器采集泵站的运行状态、监测水位、机组温度等状态信息，对采集信息做多元化的分析判断处理，并向下发送执行机构的控制命令等。为了方便后期对泵站巡检系统的维护与功能扩展，在软件的设计中采用模块化设计方式。图19为系统模块功能。

  在对泵站进行巡检监测时，首先对各个子模块进行初始化设计，并测试各模块间的通信功能；在从机设备接受到主机发送的巡检请求命令后，将执行采集命令，并将采集的信息做判断后，发送给主机，如若工作的状态有异常现象，将启动报警模块，提醒泵站运作时的状态异常。图20为系统主程序图。

  泵站的主机与从机收发信息均需要一定的协议，系统采用的是 M-BUS 总线通信，就要遵循 M-BUS 的数据通信协议。接口电路接收到主机发送到从机的命令，根据数据域的指令，执行相应动作。数据域中的协议命令如表2所示。图21为通信程序流程图。

  根据不同情况划分报警事件类型，有通信线路故障、运作时的状态超出阈值、设备故障无法正常启动等多种故障形式。当发生故障事件时，系统检测到故障信号，发出警告命令提醒工作人员泵站运行有故障发生，同时对数据进行记录存储，便于使用智能算法根据大数据分析故障问题。图23为故障报警程序流程图。

  根据存储的历史状态数据可以对泵站运行进行建模分析，对运作时的状态进行预测、判断，提前做好防御工作。历史记录模块管理设计人性化，工作人员可以直接登录工号操作，点击查询、保存等就可以直接进行相应操作，方便直观。查询的内容可以看到事件时间、事件状态、故障原因、故障点和操作人员信息等信息。

  在程序中设定，当单片机或 WiFi 模块向对方发送请求命令时，接受命令方须返回响应指令；设备上电初始化完成后，STM32 单片机发送按键命令用来选择 WiFi 入网模式，有 Airlink 和 SoftAP两种接入云端模式。控制命令是 WiFi 模块发送的控制单片机的指令；心跳命令是用来监测 WiFi 模块与单片机是否正常通信的命令；在程序中设置连续 220ms 单片机未接收心跳命令，则判定通信失败，需要重启 WiFi 模块。图24 为 WiFi 通信流程图。

  为了实现硬件与机智云平台的相互通信，须在 WiFi 模块上植入通讯固件 GAgent，并通过 Gizwits 协议接入机智云云端服务器。GAgent 具有良好的通讯性能且不受平台的约束，被广泛用于设备数据、机智云端、APP 之间做通信桥梁。GAgent 固件烧录进ESP8266 模块中，实现与云端的通信，可以将串口数据转发给云端数据上传至 APP 端，也可以将云端数据通过 WiFi 模块传送至单片机供设备使用。

  云服务器作为一种新生技术顺势而生。云服务器不仅能够满足开发者对服务器的需求，而且所需要的的项目成本低廉，有现成模块可以直接拿来使用，加快了对软件的开发速度。像机智云平台是智能硬件开发与云服务平台，可以面向个人、企业开放使用。机智云还提供 APP 与微信小程序的 SDK，只需要在该基础上进行修改，即可以对移动端应用进行开发。

  泵站巡检系统的移动端 APP 是机智云平台与 APICloud 两个软件相结合完成的，机智云平台提供自助式的智能硬件开发和开放的云服务器，包括机智云端、机智云设备端和 SDK，如图26所示。APICloud 平台通过服务的方式将 API 提供给开发者，帮助开发者降低开发难度，缩短开发周期，迅速实现云端一体化。

  机智云平台作为国内最大的智能硬件自主开发和云服务平台主要涉及设备、云服务和手机三大部分。机智云中 WiFi 设备包含两个部分，一部分 GAgent 的作用是数据的转发，它是设备数据、云服务和手机之间的数据桥梁；另一部分 MCU 的作用是直接与硬件设备的通讯。

  对于设备接入云端服务器有两种方式，本系统采用的是 MCU 方案，主要对该方案展开研究，机智云的接入导向如图27所示。将传感器采集到的状态信息通过总线方式发送至 MCU，智能硬件获取的信息通过 MCU 串口协议连接的通信模块 WiFi 发送至云端 API，WiFi 模块 GAgent 部分的作用就是发送数据。

  对于泵站巡检系统来说，要在移动端 APP 上实现对泵站运行状态实时查询，对运行设备的控制管理，对历史状态的查询，警示提醒功能等。实现的第一步需要把存储在MCU 中的传感器采集到的泵站状态信息通过 WiFi 设备的 GAgent 功能发送至云端。首先将实体设备建立 Product Key，创建新的档案，系统自动生成 Product Key，如图28创建数据点。

  在产品档案中创建一个应用，添加设备端数据通信口，设置数据传输形式，图29为传输形式的选择。

  在基本信息中找到 Product Key 对应的 Product Secret 的密钥，复制粘贴到 MCU 开发中的空白处，使得传感器数据点与 MCU 连接，生成源代码。将代码下载至本地，打开下载的文件复制 Gizwits 文件夹到泵站巡检系统的 KEIL 文件夹中，植入与机智云平台的连接代码，如图30。

  创建硬件设备端与机智云云端服务器的连接后，要进行 APP 的开发设计，良好的APP 软件可以更方便更直观的观测到泵站的状态，带来良好的用户体验，同时也会发挥出设备的价值，逐渐丰富对泵站的智能化设计。在 APICloud 平台上，植入机智云提供的 APP 源码，具体操作如下：

  完成对 WiFi 硬件电路功能测试后，需测试 WiFi 模块的网络通信功能。将 WiFi 模块通过串口与 PC 机连接，在 PC 机打开串口调试助手和网络调试助手。在网络调试助手上创建 UDP 协议，通过串口调试助手发送指令通过串口控制 WiFi 模块，完成 UDP协议配置并向指定的 IP 地址和端口号发送数据。 图32为 WiFi 通信测试时网络调试助手的配置与数据收发状态显示。

  通过实验对泵站智能巡检系统做整体性能测试。由于实验室条件有限，仅对泵站的水位、温度、电压、电流参数进行实时监控。在模拟现场安装液位传感器、温度传感器和电表采集实验设备的状态信息，采集到的信息经信号转换后通过 M-BUS 总线发送至主机控制端，再由主机控制端的 WiFi 模块上传至机智云云端服务器。

  3.对泵站巡检系统中采集的参数信息采取卡尔曼滤波处理从而获取最优估计值；对卡尔曼算法进行预测改进，用于对泵站状态进行预测。通过设定阈值与采样值作对比，分析故障状态。

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