CN107608281A - 一种水利测控信息终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水利测控信息终端，包括STM32F103嵌入式单片机，所述单片机分别连接有数据通讯接口、人机界面面板、电参量采集电路、开关量接口电路、模拟量接口电路、时钟单元和数据存储单元，所述开关量接口电路包括有DI端口以及DO端口，用于水井泵和阀门的状态获取以及开关控制。本发明产品体积小、功耗低、配置多种I/O接口，外壳防护等级高，能适应多种供电方式、安装条件恶劣的工作环境，接受来自于灌区水井现场的多种传感器信号，通过STM32F103单片机处理数据，对灌区水井的工作做出反应，同时实时在线将数据发送到LORA无线网络。

Description

一种水利测控信息终端

技术领域

本发明涉及一种灌区水利的现场工作参数自动采集、实时数据无线远程传送、智能、远程控制与管理的测控终端，尤其是涉及一种灌区水利测控信息终端。

背景技术

目前，大多数灌区水井的水井分散、环境复杂，设备故障以及人为因素造成的停井现象不能及时发现和处理；人工巡井效率低、消耗大，抽水机设备利用率低。抽水机作为水井主要的耗能大户，是灌区水井安全生产和节能减排的管理重点，设备投资费用大、运营成本高、安全生产作业保障困难重重的问题是目前亟待解决的重要课题。

智能测控信息终端的发展给灌区水井生产带来了便利，智能测控信息终端技术与智慧化产品的融合使得灌区水利测控信息终端的研发成为可能。根据走访调研，鉴于目前灌区水井的监控管理的上述普遍情况，研发设计智能测控信息终端具有十分现实的意义。

发明内容

本发明提供了一种灌区的水利测控信息终端，针对应用安装条件恶劣的环境设计的集“独立自供电、低功耗、三防设计（防水、防湿热霉变、防风沙扬尘）、物联网接口、数据采集、数据存储器、无线传输”于一体的灌区水利测控信息终端，产品体积小、功耗低、配置多种I/O 接口，外壳防护等级高，能适应多种供电方式、安装条件恶劣的工作环境。这种装置采用LORA无线通讯方式。装置接受来自于灌区水井现场的多种传感器信号，通过STM32F103单片机处理数据，对灌区水井的工作做出反应，同时实时在线将数据发送到LORA无线网络，并可以根据中央控制室主站发出的命令，采取响应的动作。

其技术方案如下所述：

一种水利测控信息终端，包括STM32F103嵌入式单片机，所述单片机分别连接有数据通讯接口、人机界面面板、电参量采集电路、开关量接口电路、模拟量接口电路、时钟单元和数据存储单元，所述开关量接口电路包括有DI端口以及DO端口，用于水井泵和阀门的状态获取以及开关控制。

所述数据通讯接口包括LORA通讯接口模块、RJ45网络接口，以及RS485通讯接口电路，用于提供RS485总线连接；还包括JTAG接口，用于程序烧写。

所述人机界面面板包括液晶显示面板、LED工作状态指示和功能键盘，通过人机界面用于本终端的人机对话。

所述开关量接口电路至少连接三个DI端口以及两个DO端口，所述DI端口作为无源接点开关量输入，用于水井泵运行与停止状态反馈接点接入和阀门/闸门的开关状态反馈接点接入；DO端作为继电器干接点脉冲输出，用于上电启动或中央控制室控制运行水井泵、停止控制和阀门/闸门的开关控制。

所述模拟量接口电路至少连接有三个AI端口，用于水管压力、流量的输入，以及液位检测模拟量的4-20mA输入。

所述单片机还设置有温湿度接口，温湿度接口连接到温湿度传感器，用于灌区水井现场温湿度检测输入。

所述电参量采集电路，用于检测水泵的电压、电流、有功、无功、功率因数、用电量、相序、过负荷、缺相、零序电流、能效分析。

所述单片机连接的时钟单元，提供嵌入式单片机工作时钟和***时间实时时钟。

一种水利测控信息终端的初始化控制方法，包括下列步骤：

（1）根据中央控制室主主发送的指令，判断其合法性，若成功接受数据，即执行远程测控，否则执行本地测控；并等待数据返回；

（2）依次顺序进行通讯中断程序和灌区水井参数设置中断程序，并使能；

（3）依次读取水井泵现场的所有参数：DI端口、DO端口、AI端口、温湿度端口、电参量端口；

（4）顺序进行输入端口的数据采集、单片机输入刷新、显示处理；

（5）进行按键扫描输入检测、显示和处理；

（6）STM32F103单片机根据***初始化数据以及端口数据，自动判断***是否报警，包括接点自诊断、水管压力超限；

（7）报警解除前一时刻的报警状态保存在历史数据存储器中，当报警解除后可保存其标志位状态；

（8）在前一刻未报警或报警解除延迟时间到达后，水井泵运行输出。

进一步的，步骤（7）和步骤（8）之间，根据本装置内部参数设置，报警解除后会有一定的延时间隔检测，避免水井泵频繁启动。

本发明的特点与功能：

1）采用高可靠性的嵌入式芯片，集采集、运算、存储、控制、显示、通讯于一体，结构紧凑，性价比高。

2）独创的脉冲开关控制模式，功率小、可靠性高、故障率极低。

3）支持RJ45网络接口，方便组成局域网。

4）采用新型的LORA通讯模式，干扰小，可靠性高，经济性高。

5）特殊的软硬件优化设计方式，具有防水、防湿热霉变、防风沙扬尘的功能。

6）多种工作模式，极大地节约了能源。

7）水井泵状态监测、远传。

8）液位、流量、阀门/闸门、温湿度的状态检测、远传。

10）按键：功能按键设置带权限，防止任意人员修改技术参数。

附图说明

图1是所述基于物联网的灌区水利测控信息终端的结构示意图；

图2是所述STM32F103单片机的示意图；

图3是所述电源电路的示意图；

图4是所述液晶显示电路的示意图；

图5是所述LED指示电路的示意图；

图6是所述电参量采集电路的部分电路示意图；

图7是所述LORA无线通讯电路的示意图；

图8是所述RS485通讯电路的示意图；

图9是所述RJ45网络接口电路的部分电路示意图；

图10是所述功能按键接口电路的示意图；

图11是所述温湿度接口电路的示意图；

图12是所述数字量输入电路的示意图；

图13是所述数字量输出电路的示意图；

图14是所述模拟信号（4-20mA）的采集电路的示意图；

图15是所述STM32F103单片机的初始化的处理流程图。

具体实施方式

本发明是一种为灌区水利配套的智能测控信息终端，属于灌区水利设备“三化”管理领域。

如图1所示的框图，本发明包括STM32F103单片机，所述单片机分别连接有数据通讯接口、人机界面面板、电参量采集电路、开关量接口电路、模拟量接口电路、时钟单元和数据存储单元，所述开关量接口电路包括有DI端口以及DO端口，用于水井泵和阀门的状态获取以及开关控制。所述数据通讯接口包括LORA通讯接口模块、RJ45网络接口，以及RS485通讯接口电路，用于提供RS485总线连接；还包括JTAG接口，用于程序烧写。所述人机界面面板包括液晶显示面板、LED工作状态指示和功能键盘，通过人机界面用于本终端的人机对话。所述开关量接口电路至少连接三个DI端口以及两个DO端口。所述模拟量接口电路至少连接有三个AI端口。还包括温湿度端口。

各部分结合图2-图14描述如下：

一个STM32F103的嵌入式单片机，负责分析处理所有的采集数据和中央控制室发送的控制命令，并根据情况做出相应的判断、处理；

4个触摸按键，4个按键分别是确定键、向右键、向上键、取消键；

1个液晶显示器（或数码显示），支持2行显示，每行最多显示8个汉字；

6个LED指示灯，分别指示运行、采集、无线、网络、信号和故障；

一个LORA无线模块，用于在线在线发送数据和接受控制命令；

一个数据存储器，用于保存测量数据；

数个运算放大器，用于放大来自现场传感器的测量数据；

一套时钟单元，提供嵌入式单片机工作时钟和***时间实时时钟；

DI端口：无源接点开关量输入，用于水井泵运行与停止状态反馈接点接入和阀门/闸门的开关状态反馈接点接入；

DO端口：继电器干接点脉冲输出，用于上电启动或中央控制室控制运行水井泵、停止控制和阀门/闸门的开关控制；

AI端口：用于水管压力、流量和液位检测模拟量4-20mA输入；

一个温湿度端口，灌区水井现场温湿度检测输入。

一个RS485端口，提供RS485总线连接；

一套电参量端口，用于检测水泵的电压、电流、有功、无功、功率因数、用电量、相序、过负荷、缺相、零序电流,能效分析等。

一个人机界面，用于本终端的人机对话。

本发明提出的灌区水利测控信息终端对数据采集、处理、控制的处理过程，包括：

数据采集以STM32F103单片机为核心，依次采集水井数据，自动与可编程内设参数比较、处理、判断，并根据判断结果执行进一步操作。

本发明提出的灌区水利测控信息终端的数据传输采用无线网络LORA通讯传输数据；也可通过RS485端口MODBUS-RTU协议传输。

所述STM32F103单片机与LORA通讯模块采用标准RS232通讯接口协议；STM32F103单片机与RS485通讯接口支持标准MODBUS-RTU通讯协议。

本发明提出的灌区水利测控信息终端的远程控制技术可以根据中央控制室主站的控制指令，对水井泵完成启动和停止控制。

本发明提出的灌区水利测控信息终端的现场语音告警和自动报警停止和重启采用一种先进、实用的设计方法。

本发明利用温湿度、压力、液位等传感器，对水井泵现场数据实时采集并进行判断和高速处理，通过LORA无线方式逐级传送到中央控制室主站***，也可由主站***进行水井泵运行与停止的控制；当温湿度超限报警或超限报警解除时能够自动停止和运行水井泵，从而能够实现水井泵远程测控管理。

如图15所示STM32F103单片机的初始化处理流程图，在灌区水利测控信息终端中STM32F103单片机是本发明的核心技术。

步骤a，根据中央控制室主主发送的指令，判断其合法性，若成功接受数据，即执行远程测控，否则执行本地测控；并等待数据返回。

步骤b，依次顺序进行通讯中断程序和灌区水井参数设置中断程序，并使能。

步骤c，依次读取水井泵现场的所有参数：DI端口、DO端口、AI端口、温湿度端口、电参量端口。

步骤d，顺序进行输入端口的数据采集、单片机输入刷新、显示处理

步骤e，进行按键扫描输入检测、显示和处理

步骤f，STM32F103单片机根据***初始化数据以及端口数据，自动判断***是否报警，包括接点自诊断、水管压力超限等。

步骤g，报警解除前一时刻的报警状态保存在历史数据存储器中，当报警解除后可保存其标志位状态。

步骤h，根据本装置内部参数设置，报警解除后会有一定的延时间隔检测，避免水井泵频繁启动。

步骤i，在前一刻未报警或报警解除延迟时间到达后，水井泵运行输出。

本发明产品体积小、功耗低、配置多种I/O 接口，外壳防护等级高，能适应多种供电方式、安装条件恶劣的工作环境，接受来自于灌区水井现场的多种传感器信号，通过STM32F103单片机处理数据，对灌区水井的工作做出反应，同时实时在线将数据发送到LORA无线网络。

Claims (10)

1.一种水利测控信息终端，其特征在于：包括STM32F103嵌入式单片机，所述单片机分别连接有数据通讯接口、人机界面面板、电参量采集电路、开关量接口电路、模拟量接口电路、时钟单元和数据存储单元，所述开关量接口电路包括有DI端口以及DO端口，用于水井泵和阀门的状态获取以及开关控制。

2.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述数据通讯接口包括LORA通讯接口模块、RJ45网络接口，以及RS485通讯接口电路，用于提供RS485总线连接；还包括JTAG接口，用于程序烧写。

3.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述人机界面面板包括液晶显示面板、LED工作状态指示和功能键盘，通过人机界面用于本终端的人机对话。

4.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述开关量接口电路至少连接三个DI端口以及两个DO端口，所述DI端口作为无源接点开关量输入，用于水井泵运行与停止状态反馈接点接入和阀门/闸门的开关状态反馈接点接入；DO端作为继电器干接点脉冲输出，用于上电启动或中央控制室控制运行水井泵、停止控制和阀门/闸门的开关控制。

5.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述模拟量接口电路至少连接有三个AI端口，用于水管压力、流量的输入，以及液位检测模拟量的4-20mA输入。

6.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述单片机还设置有温湿度接口，温湿度接口连接到温湿度传感器，用于灌区水井现场温湿度检测输入。

7.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述电参量采集电路，用于检测水泵的电压、电流、有功、无功、功率因数、用电量、相序、过负荷、缺相、零序电流、能效分析。

8.根据权利要求1所述的水利测控信息终端，其特征在于：所述单片机连接的时钟单元，提供嵌入式单片机工作时钟和***时间实时时钟。

9.一种水利测控信息终端的初始化控制方法，包括下列步骤：

（1）根据中央控制室主主发送的指令，判断其合法性，若成功接受数据，即执行远程测控，否则执行本地测控；并等待数据返回；

（2）依次顺序进行通讯中断程序和灌区水井参数设置中断程序，并使能；

（3）依次读取水井泵现场的所有参数：DI端口、DO端口、AI端口、温湿度端口、电参量端口；

（4）顺序进行输入端口的数据采集、单片机输入刷新、显示处理；

（5）进行按键扫描输入检测、显示和处理；

（6）STM32F103单片机根据***初始化数据以及端口数据，自动判断***是否报警，包括接点自诊断、水管压力超限；

（7）报警解除前一时刻的报警状态保存在历史数据存储器中，当报警解除后可保存其标志位状态；

（8）在前一刻未报警或报警解除延迟时间到达后，水井泵运行输出。

10.根据权利要求1所述的水利测控信息终端的初始化控制方法，其特征在于：步骤（7）和步骤（8）之间，根据本装置内部参数设置，报警解除后会有一定的延时间隔检测，避免水井泵频繁启动。