CN114237123A - 一种基于物联网的一体化预制泵站控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于物联网的一体化预制泵站，基于物联网的一体化预制泵站***结构有三个层次，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。一体化预制泵站***结构以感知层为基础，利用不同类型的传感器对水位、水压、流量、用电量、图像数据等信号进行检测、转换与处理，并利用RS485等通信方式传输到单片机。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版泵站管理***实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。
Description
技术领域
本发明涉及泵站控制***领域，具体是一种基于物联网的一体化预制泵站控制***。
背景技术
农田水利灌溉过程中泵站发挥着重要作用。传统农业灌溉的泵站，是使用一个大型的水泵与各个管道相连接，使该大型水泵通过给各个管道输送水，这种灌溉问题较多，只适合大面积统一灌溉的时候使用，却无法针对部分小面积单独灌溉，难以满足复杂的种植环境做出多样化的灌溉方法，单一的计费模式也难以适用于不同环境下的灌溉需求，传统的泵站需要建专门的控制室，自动化及人性化调控程度不高，需求专人值守，前期投入和后期管理费用都较高，随着社会的发展，对智慧灌溉的应用愈加广泛，对智慧灌溉泵站的需求日益增长，因此有必要设计一种基于物联网的一体化农田水利灌溉泵站，针对传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题，进行创新研究。
发明内容
针对传统泵站在农田水利灌溉中的不足，本发明要解决的技术问题是传统泵站计费模式单一、操作复杂、管理困难的缺点，将物联网技术运用***设计当中，使***设备具有可靠、操作简单、计费准确、管理方便、适用范围广等特点，提供实现泵站自动化的解决方案。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明一种基于物联网的一体化预制泵站，其特征在于包括以下步骤：
***架构搭建：基于物联网的一体化预制泵站***结构有三个层次，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；一体化预制泵站***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测，利用不同类型的传感器对信号进行转换、处理，并利用RS485等通信方式传输到单片机，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***实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。
感知层设计：感知层泵站设计是一体化预制泵站***最重要的一部分，采用STM32F407单片机，基于MBED-RTOS操作***对不同类型的传感器逬行数据采集并对软启动器、摄像头进行控制，该***采用了两种类型的传感器，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，实现泵站取水、计量、图像检测、数据通信功能。
网络层和应用层实现：一体化预制泵站通GPR无线网络或互联网基MQTT协议与云数据中心进行通信，应用层软件在Visual Studio开发环境下使用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***，实时查看泵站运行状态。
本设计采用电计量收费、水计量收费、时间量计费相结合方式进行去计量，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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本项目采用物联网思想设计并实现了一种一体化预制泵站***，解决了传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题，推动了水处理设备智慧化水务技术应用。
(2)产品应用范围广，效果好，符合国家产业政策指导方向和环保政策的严格要求。
(3)项目研发成功后，将有效推进企业产品结构调整，加速带动产业转型升级。
附图说明
图1为一种基于物联网的一体化预制泵站控制***的***结构框图；
图2为一种基于物联网的一体化预制泵站控制***中***硬件结构设计图；
图3为一种基于物联网的一体化预制泵站控制***中取水开开卡流程图；
图4为一种基于物联网的一体化预制泵站控制***中通信电路设计图；
图5为一种基于物联网的一体化预制泵站控制***中感知层泵站控制器软件流程图。
具体实施方式
下面结合具体发明对本发明进一步进行描述。
本发明采用物联网思想设计并实现了一种一体化预制泵站***，该***结构分为感知层、网络层、应用层，其中以感知层为基础；
如图2所示，本发明的感知层泵站控制器，感知层设计是一体化预制泵站***最重要的一部分，***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4～20mA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，并将釆集到的数据保存到SD卡中。
泵站取水功能实现，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S50非接触式IC卡。S50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入明文信息，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据进行Base64编码，开卡流程如图3所示。
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，计算关系为：
当L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，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。
电参数检测：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***增加了ADE7878电参数芯片。
ADE7878可以为***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入三相交流电，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。
(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輸出由高电平变为低电平，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，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5～24V直流电压供电，工作温度-40℃～85℃，最大分辨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：
表1下行报文格式
其中报文头为两个字节0X90EB，OxEB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***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。
摄像头向单片机上传报文格式如表2所示：
表2上行报文格式
其中状态字节为0x00是表示摄像头状态正常，0x01表示发生内部错误。
(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±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：
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。
传感器接口电路设计：一体化预制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。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。
***中有两路RS-485通信电路，一路用于釆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。
数据通信：泵站控制器***基于MBED-RTOS实时操作***操作***，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，***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，负责泵站与数据中心的通信。
线程3是数据釆集线程，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。
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。
***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***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。
3.网络层与应用层的实现：一体化预制泵站通过GPRS无线网络或互联网基于MQTT协议与云数据中心进行通信，应用层软件在Visual Studio开发环境下使用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、历史数据査询、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***，实时査看泵站运行状态，用户可在管理***中设定报警阈值，如电机过载报警阈等，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，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査询功能。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，包括：感知数据的感知层、处理数据传输的网络层、以及数据进行计算和管理的应用层；
所述基于物联网的一体化预制泵站的感知层内部设置有单片机，所述单片机用以对水压、流量、用电量以及图像数据等信号进行检测，所述单片机的内补设置有：水位传感器、水压传感器；所述的水位传感器和水压传感器均采用的是4～20mA电流信号经过内置的调理电路后与所述单片机内置的AD进行数据的收集，所述单片机通过RS-485接口外接电表、摄像头、软启动器、流量计，所述单片机利用Modbus总线协议读取所述软启动器参数、流量等数据，利用特定协议读取所述电表数据和图像数据，并将釆集到的数据保存到SD卡中；
所述基于物联网的一体化预制泵站的网络层，利用MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器；
所述基于物联网的一体化预制泵站的应用层通过手机客户端或网页登陆泵站管理***实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，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S50非接触式IC卡；
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据进行Base64编码。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，计算关系为：
当L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，读卡芯片通过SPI接口将卡内数据传输到单片机，所述的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。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，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，所述电表用于精确计费，同时用于校准ADE7878电参数芯片，所述电表可以提供电压、电流、有功、无功功率参数，***增加了ADE7878电参数芯片对电机提供保护；
ADE7878可以为***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入三相交流电，通过SPI接口将电参数发送给所述单片机，所述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。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，当有人进入供水室时，将导致红外传感器的输出由高电平变为低电平，这将触发所述单片机的外部中断，此时所述单片机调用所述摄像头进行拍照，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，当所述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，实现了对泵站的安全监视。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，所述单片机通过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±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：
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。
6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，一体化预制泵站的控制核心是所述单片机，其通过AD转换器获取水位和水压数据，通过RS-485接口完成对所述软启动器参数、电参数、图像数据和流量的数据采集；
***中有两路RS-485通信电路，一路用于釆集所述电表的数据和所述软启动器参数；另一路用于采集流量计与所述摄像头数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，泵站控制器***基于MBED-RTOS实时操作***操作***，实现了线程控制、线程同步、线程间通讯、线程调度等功能；
***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，负责泵站与数据中心的通信；
线程3是数据釆集线程，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。
8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制***，其特征在于，一体化预制泵站通过GPRS无线网络或互联网基于MQTT协议与云数据中心进行通信，所述应用层软件在Visual Studio开发环境下使用C语言开发完成，实现了泵站运行数据的实时查看、远程管理、历史数据査询、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***，实时査看泵站运行状态；用户可在管理***中设定报警阈值，如电机过载报警阈等，所述应用层的软件对泵站的数据进行实时处理，计算是否达到报警条件；
所述应用层的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，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，所述应用层的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。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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