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基于STM32的河道水情监测节点设计

编辑: 来源: 发布时间:2019-11-07 09:02:45

    摘要:以雷达料位计为技术核心的液位监测系统给许多行业都带来了便利,河道水情监测利用STM32的各种优势设计出可以自动监测水位并发出语音警报的系统。液位的自动监测可以提前预知水情以便工作人员能以最快的速度采取措施,最大程度地保障民众和财产安全。论文基于STM32设计了由水位数据采集硬件和数据处理App组成的监测系统,用以监测河道水位、地理位置、水温和光照情况。

    一、水情监测概要
    由于地形不同,各个地方的河道和水库的水位监测的测量方法不同,那么就需要不同的监测设备和技术,为此就难以有统一的参数来设计监测设备。设备的专用化程度高,种类繁多,不利于设备的维护、保养、安装。在综合探究河道水位监测的实际情况和特征上,充分利用单片机的存储、解码等优点,设计出一种普遍适用、可靠、方便安装和维护的监测系统有着重要的意义。监测系统主要由以下几个部分组成:

    (一)对河道或水库的多个位置进行数据采集:自动监测水位,可设置自动监测,也可选择点位进行测试,在雨季还可设置巡回监测。

    (二)数据输送:所测的水位数据需要输送回监控室,因此需要对远程输送设置抗干扰的装置,以确保数据稳定准确地输送回电脑系统。

    (三)分析数据和显示:利用 STM32 系列的单片机进行数据分析,并通过 LED 显示出来,链接语音报警器。

    (四)语音报警:设置一个阈值,若发送回来的数据超过设定值,则语音报警器响起 [1]。液位自动监测器系统使用液体压力探测器进行数据采集,再通过单片机进行 A/D 转换,然后将数据传回监控室;亦可通过控制中心进行远程控制调取数据进行加工和分析等等。

    二、采集水情数据的硬件设计
    液位采集系统是由单片机为核心部件,单片机是一种集成电路芯片,集 CPU、RAM、ROM、多种 I/O 口等等功能于一身,具有体积小、功耗低、便于生产、可靠性高等特点,利用单片机的这类特点来帮助实现数据的收集、分析和传输。由单片机为核心部件的数据采集系统硬件设计图 1 所示:

 

1.jpg

    数据采集系统主要由雷达料位计、电源系统、稳压电路、STM32 单片机、报警系统和水泵系统等组成。该系统是由STM32 单片机作为核心控制部件,数据采集通过压力雷达料位计获得,由单片机进行模数转换,由 GPRS系统传回工作站控制中心。

    三、数据输送
    下位机和上位机之间的数据传输通过两个部分来完成:GPRS 发送、串行接口发送。

    串行接口发送:液位监测器的各个点的雷达料位计收集到的数据会自动存储到随机存储存取器(RAM)中,在 STM32 的控制下,通过 UART 串口将收集到的液位、水温、污染情况、GPS 点位等等发送到工作站的上位机中 [2]。单片机与 GPRS 发送设备之间应该考虑数据传输的可靠性和安全性。UART 串口是置于单片机中的,利用该串口可以将雷达料位计获得的水位、温湿度、位置信息、海拔高度等数据先行发至缓冲区中,用来作为和 GPRS 系统通信的一个“中转站”。
    GPRS 发送:液位监测不只是监测一个点,河道或水库每个地方的水深都不一致,需要在多个点位进行监测,所以电位分布广泛,相隔较远,需要通过无线传输技术将节点的数据信息传回。单片机要想实现对 GPRS 无线通信的控制可以通过AT 指令加以实现,首先将其初始化,设定好接收数据的具体的服务器和端口位置,确定好将要发出的数据,就可使水位信息的远程传输得以实现。

    四、数据处理
    收集数据和数据传输硬件系统部署好了以后,在监测系统顺利进行监测的基础上,还需要通过程序控制来调用硬件,这样才能使整个监测系统运作起来发挥作用。监测系统能否发挥其作用不仅依靠合理的硬件系统,还需要功能齐全的App来做后盾。因为检测系统是以单片机为核心部件进行数据处理的,本文中的单片机利用了 STM32 收集数据并将数据传给 PC 机,由 PC 机来完成之后的数据整理部分。使用 socket 编程技术接收 GPRS 系统通过 TCP/IP 协议传送过来的数据,并对数据进行检测,然后初步处理数据,将处理好的数据存入数据库中特定的字段。

   (一) 接收GPRS数据。GPRS数据的接收可利用GelserverIP()得到该数据所处服务器的 IP 地址,然后确定一个端口,用该端口和 IP地址设定一个端点,再设定 socket对象,并绑定设定好的端点,使用listen()进行监听,若监听到客户端,马上通过 accept()设定新的对象,使用 receive()方法获取信息,在获取信息时,不是所有的信息都能被接收,而是通过判断信息的长度,只接收含有数据的那一部分,过滤掉空格等无用的数据,并用特定的符号来判断该字符串是否结束。

    (二)数据解析并保存。可以对数据传输的格式加以规定,例如“* 水位,水温,湿度,经度,纬度,#”,字符中间必须以符号进行分隔,数据以 * 开始,以 # 结束,在接收到的数据中要排查看是否符合这一格式,如果统一再进行处理,并存入数据库。

    五、数据显示
    数据被接收到并进行处理之后要将其显示出来,并设定好刷新数据的间隔时间,每隔一段时间就自动刷新数据,由于水势会不断变化,所以可能会加入新的监测点。因此,在自动刷新数据之前需要对监测点位进行检测,如果该监测点本来就存在则直接刷新,若有新的监测点,则要添加新的监测点数据。

    (一)首先定义 FLAG 变量(默认为 YES)作为判断监测点是否已经存在的依据。

    (二)打开主窗体的定时器,并对定时器加以定义,定义为 TICK:首先调取 TICK 事件中的监测点数据,并对数据进行扫描,并不断刷新直到数据出现,随后监测点的位置信息将被读出,此时通过 checkid() 验证 FLAG 变量为 YES 或 NO,如果是YES,那么将这个监测点数据加入,如果是 NO,就检查该监测点是否存在,如果存在就更新该监测点的数据和位置信息。

    六、语音报警
    用单频音报警器来进行监测系统的报警,这种电路接口比较容易实现,利用压电蜂鸣器作为报警系统的发音器件,该类型的蜂鸣器只需将 3-15V 的直流电压加在两端,就可产生足以用来报警的声音,这类蜂鸣器结构简单,使用又方便,耗电量小,比较适合使用于单片机系统。报警器程序设计如图 2 所示:

 

3.jpg

 

    七、结语
    该液位监测系统基于 STM32 单片机原理,实现了原始液位数据的收集、输送、分析、显示和报警,可以对河道、水库的水位、温度、地理位置等信息进行准确的监测,不仅排除了水位监测者亲测时的安全隐患,在数据传输方面也摆脱了以前的有线输送模式,数据处理方面也不再使用人工汇总和数据处理等落后的分析模式。河道水位监测者们、水力发电站工编辑们能更方便、更及时地进行水位等数据的监测,可进行风险预测,以便提早采取措施。

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