基于STM32的農(nóng)村供水站監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究

屠佳佳，李 莎，劉 鋒

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子技術(shù)系，浙江 杭州 310053；2. 杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，隨著浙江省千萬農(nóng)民飲水工程的實(shí)施，一座座小型集中式農(nóng)村供水站如雨后春筍般拔地而起。由于農(nóng)村供水站數(shù)量多，地處偏遠(yuǎn)且分散，水利部門建成后，移交給鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村集體進(jìn)行后續(xù)管理，同時(shí)劃撥管養(yǎng)經(jīng)費(fèi)，每個(gè)農(nóng)村供水站配備1名現(xiàn)場管理人員，日常管理工作主要由水利部門負(fù)責(zé)監(jiān)督[1-3]。

由于現(xiàn)場管理人員缺乏專業(yè)知識(shí)以及待遇不高等原因?qū)е路?wù)意識(shí)不強(qiáng)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村集體疏于監(jiān)督管理，水利部門面臨人員少、范圍大導(dǎo)致監(jiān)督困難，使大量小型農(nóng)飲水工程建成后處于管理薄弱的狀態(tài)。存在不按時(shí)巡查、不按規(guī)定沖洗過濾罐、偷倒消毒藥水以及頂替管理人員巡查等不規(guī)范現(xiàn)象，直接影響農(nóng)村供水站的正常運(yùn)行以及農(nóng)村飲用水安全[4]。因此農(nóng)村供水站的管理已經(jīng)成為水利部門的難題。

為了解決這一問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于STM32單片機(jī)的農(nóng)村供水站遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，用于農(nóng)村供水站日常監(jiān)督管理，以提高水利部門的管理能力與管理效率，同時(shí)保證農(nóng)村飲用水安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)村供水站規(guī)模較小，由管理房和儲(chǔ)水池2部分組成，都在圍墻內(nèi)，以保證安全。管理房一般由2 ～ 3個(gè)房間組成，分別為消毒室、過濾室和辦公室，放置電機(jī)、消毒、過濾設(shè)備、臺(tái)賬以及日常所需的物料器材等；儲(chǔ)水池位于管理房附近，一般建成圓柱體形，頂部通常留有觀察孔，供日常觀察與取水檢測(cè)用。農(nóng)村飲用水一般將水庫、山塘、溪道作為水源地，用水泵將源水引入農(nóng)村供水站，再通過加藥消毒、過濾，將處理后的水引入供水站的儲(chǔ)水池中，供老百姓使用。因此農(nóng)村供水站在農(nóng)村飲用水安全工程中發(fā)揮著重要作用，必須加強(qiáng)管理。

根據(jù)農(nóng)村供水站的生產(chǎn)工藝，包括大量的管理工作如日常巡查、消毒加藥、過濾設(shè)備清洗、臺(tái)賬記錄以及水泵、水質(zhì)等安全工作，而且水利部門為農(nóng)村供水站專門制定管理?xiàng)l例，現(xiàn)場管理人員是否按照管理?xiàng)l例實(shí)施管理，將直接影響農(nóng)村供水站的正常運(yùn)行以及農(nóng)村飲用水的安全。在單站資金投入有限和滿足農(nóng)村供水站監(jiān)督管理要求的情況下，研究設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)（見圖1）[5-6]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)主要由傳統(tǒng)設(shè)備和信息化設(shè)備組成。傳統(tǒng)設(shè)備包括消毒柜、過濾罐和水泵，通過中間繼電器、流量開關(guān)等元件轉(zhuǎn)換后將消毒、過濾罐沖洗和水泵運(yùn)行信號(hào)采集傳輸至服務(wù)器。信息化設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集終端、無線傳輸模塊、串口攝像頭、門磁感應(yīng)器、紅外感應(yīng)器、考勤設(shè)備、服務(wù)器接收軟件等。系統(tǒng)設(shè)置2路攝像頭，分別安裝在管理房內(nèi)和儲(chǔ)水池觀察口附近。管理房內(nèi)的攝像頭正對(duì)大門安裝，主要監(jiān)控現(xiàn)場管理人員是否是本人按時(shí)巡查，并利用門磁感應(yīng)器觸發(fā)實(shí)現(xiàn)圖像抓拍；在儲(chǔ)水池觀察口附近安裝另一個(gè)攝像頭，利用紅外感應(yīng)器觸發(fā)實(shí)現(xiàn)圖像抓拍，用于監(jiān)控儲(chǔ)水池觀察口附近的人員活動(dòng)情況?？记谠O(shè)備安裝于農(nóng)村供水站內(nèi)部，當(dāng)現(xiàn)場管理人員到水站巡查時(shí)，須按下考勤按鈕，同時(shí)管理房攝像頭進(jìn)行圖像抓拍。采集的考勤信號(hào)和抓拍的圖像通過GPRS/CDMA無線傳輸模塊，實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器并保存。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端

作為核心組成單元，數(shù)據(jù)采集終端是農(nóng)村供水站監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。由于資金投入有限，單站資金投入低以及適用性等原因，市場上已有的設(shè)備不能很好地滿足本系統(tǒng)的需求，因此基于STM32研究開發(fā)一套數(shù)據(jù)采集設(shè)備。采用嵌入式架構(gòu)，由STM32F103主芯片、RS485和RS232串口電路、模擬量輸入模塊、IO接口、SD接口、GPRS/CDMA模塊等部分組成（見圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端總體架構(gòu)圖

設(shè)備選用意法半導(dǎo)體推出的單片機(jī)STM32F103ZET6，是基于 Coretex - M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列，ZET6屬于該系列的高容量芯片，片內(nèi)Fash為512 KB，SRAM為64 KB，主頻72 MHz，具備26位地址線和16位數(shù)據(jù)寬度，能夠滿足少量圖像的緩存，有利于解決信道擁堵以及無線信號(hào)不佳時(shí)圖像不能正常傳輸?shù)膯栴}。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)見圖3[7]，采用與傳統(tǒng)的C51單片機(jī)相反的低電平復(fù)位，為使晶振更好地起振，將8 MHz晶振與2片陶瓷電容相連形成振蕩電路，采用外部晶振是考慮到單片機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

RS485串口電路采用SP3485芯片，符合RS - 485和RS - 422串行協(xié)議的+3.3 V低功耗半雙工收發(fā)器，符合熱門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。憑借Sipex的雙極型CMOS工藝特性，可實(shí)現(xiàn)低功耗操作，不影響性能。在帶負(fù)載情況下，SP3485實(shí)現(xiàn)最高10 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，滿足RS - 485和RS - 422串行協(xié)議的電氣規(guī)格。本系統(tǒng)中RS485接口與串口攝像頭、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備連接，主要用于采集圖像、水質(zhì)數(shù)據(jù)，電路見圖4。

圖4 RS-485串口電路圖

RS - 232串口電路采用SP3232芯片，在+3.0 ～ +5.5 V供壓下，符合真正的EIA/TIA - 232 - F標(biāo)準(zhǔn)，滿負(fù)載情況下，最小傳輸速率120 kbps，具有1 uA低功耗關(guān)斷模式，并保持接收器活動(dòng)狀態(tài)，能兼容RS - 232接口，電源可低至+2.7 V。RS - 232接口用于設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置等，電路見圖5。

圖5 RS - 232串口電路圖

模擬量輸入模塊采用4 ～ 20 mA電流模塊，可用于采集流量、水質(zhì)等參數(shù)，主要為后期農(nóng)村供水站功能提升改造預(yù)留功能。為了滿足農(nóng)村供水站現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境，采用工業(yè)級(jí)電流轉(zhuǎn)電壓專用模塊，將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.0 ～ 3.3 V電壓信號(hào)后接入STM32單片機(jī)。該模塊具有供電電壓范圍寬、穩(wěn)定性高、線性度好等特點(diǎn)，采樣電阻采用高精度色環(huán)電阻，精度高、溫漂小。

IO接口電路包括IO輸入和IO輸出2部分。輸入電路采用8通道光耦隔離設(shè)計(jì)[8]，1通道接入人員考勤信號(hào)；2、3通道分別連接門磁感應(yīng)器和紅外感應(yīng)器，作為圖像抓拍的現(xiàn)地觸發(fā)信號(hào)； 4、5、6通道分別接入消毒、過濾罐正、反沖信號(hào)；7通道連接水泵信號(hào)；8通道預(yù)留備用。輸出電路采用4通道繼電器輸出設(shè)計(jì)，1通道接消毒控制；2通道接水泵控制；3、4通道預(yù)留備用。

3.2 無線傳輸模塊

由于站點(diǎn)分散，無法使用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水站的組網(wǎng)，綜合考慮信號(hào)的穩(wěn)定性以及無線網(wǎng)絡(luò)的安全性，本系統(tǒng)中無線模塊采用 GPRS/CDMA模塊，以直接租用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。GPRS/CDMA模塊采用華為公司生產(chǎn)的MG323和MC323，由于2種模塊的外圍驅(qū)動(dòng)電路完全一致，可以隨時(shí)更換?？紤]到農(nóng)村地區(qū)信號(hào)覆蓋問題，有些村移動(dòng)信號(hào)強(qiáng)，有些村電信信號(hào)強(qiáng)，靈活的設(shè)計(jì)更加有利于保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3 串口攝像機(jī)

系統(tǒng)釆用尚鑫航SXH485 - V1串口攝像頭，是一款具有視頻采集和圖像壓縮功能、具有130萬象素的CMOS攝像頭，最大分辨率為1 280 × 960。采用標(biāo)準(zhǔn)的JPEG格式，與常用計(jì)算機(jī)完全兼容。同時(shí)，具備紅外照明功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)照度補(bǔ)償，在黑暗光線下仍能保持較好的圖片質(zhì)量。攝像頭的接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS - 485接口，能夠方便地與各種計(jì)算機(jī)和嵌入式控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相連，同時(shí)方便控制設(shè)備接入多個(gè)攝像頭。支持的通訊速率為4 800、9 600、19 200、57 600、115 200 bps，可以通過命令配置?；緢?bào)文格式見表1。拍照并傳輸圖像數(shù)據(jù)命令如下：0x90 0xeb 0x01 0x02 0x02 0x00 0x05 0x01 0x00 0x00。

表1 基本報(bào)文格式表

3.4 門磁感應(yīng)器

為了保證圖像抓拍的穩(wěn)定性，門磁感應(yīng)器的選型也很重要?？紤]到農(nóng)村供水站室內(nèi)環(huán)境潮濕、工作狀態(tài)以及抓拍靈敏度、穩(wěn)定性等要求，選擇本體材料為ABS，且絕緣電阻較大的常開型門磁感應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、吸合功率小等突出優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)控制中的重要元件，在安防報(bào)警領(lǐng)域廣泛采用。常開型門磁感應(yīng)器由磁鐵和磁簧開關(guān)2部分組成，當(dāng)兩者接近至一定距離時(shí)，磁簧開關(guān)閉合。磁鐵部分安裝在門扇上，磁簧開關(guān)采用支架式結(jié)構(gòu)，安裝在門梁上，當(dāng)門扇打開至合適角度時(shí)使磁簧開關(guān)閉合觸發(fā)攝像頭抓拍圖像，安裝方便，穩(wěn)定性高。

3.5 紅外感應(yīng)器

紅外感應(yīng)器基于普朗克輻射定律原理設(shè)計(jì)，由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，通過DC兩線制連接至采集終端，電源支持范圍為10.0 ～ 30.0 V。系統(tǒng)采用常開型紅外感應(yīng)器，即無物體遮擋時(shí)，感應(yīng)器處于斷開狀態(tài)，有物體遮擋時(shí)，感應(yīng)器處于閉合狀態(tài)。紅外感應(yīng)器安裝于儲(chǔ)水池觀察口上方，當(dāng)有人靠近儲(chǔ)水池觀察口時(shí)，檢測(cè)信號(hào)立即傳送至采集終端，觸發(fā)圖像抓拍。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序流程

農(nóng)村供水站監(jiān)控終端上電開啟后，首先進(jìn)入初始化程序，初始化結(jié)束后，終端會(huì)持續(xù)發(fā)送設(shè)備號(hào)給監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)，直至登錄服務(wù)器。登錄成功后，即等待數(shù)據(jù)發(fā)送，如果持續(xù)1 min沒有數(shù)據(jù)傳輸，終端會(huì)發(fā)送心跳包給服務(wù)器，以防止設(shè)備掉線。

4.2 中斷服務(wù)程序流程

如果產(chǎn)生現(xiàn)地觸發(fā)或者有召測(cè)信號(hào)以及定時(shí)時(shí)間到，終端立即進(jìn)入中斷服務(wù)程序，發(fā)送各個(gè)端口采集到的數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心服務(wù)器，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)傳輸工作并返回主程序，其中現(xiàn)地觸發(fā)的優(yōu)先級(jí)最高，其次是服務(wù)器召測(cè)。系統(tǒng)可設(shè)置為同時(shí)向管理人員發(fā)送預(yù)警信息。

4.3 攝像頭相關(guān)程序流程

攝像頭相關(guān)程序流程包含攝像頭參數(shù)設(shè)置流程以及圖像抓拍、傳輸流程。由于GPRS/CDMA通信最大只支持1次上傳1 500字節(jié)，抓拍的圖像大小從十幾KB到幾百KB，只能通過壓縮并分包上傳。服務(wù)器接收到當(dāng)前圖像幀后，下發(fā)應(yīng)答幀，收到應(yīng)答幀后終端才上傳下一幀，如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答幀，終端重新上傳當(dāng)前幀，如果發(fā)送3次仍未收到應(yīng)答幀，則拋棄此圖像并重新注冊(cè)設(shè)備。

5 結(jié)果分析

將監(jiān)控終端安裝于余姚市農(nóng)村供水站進(jìn)行測(cè)試，設(shè)備能夠在上電初始化后立即進(jìn)行注冊(cè)，一般在15 s內(nèi)即可登錄監(jiān)控中心服務(wù)器。登陸后定時(shí)發(fā)送心跳包，在現(xiàn)地觸發(fā)、服務(wù)器召測(cè)、定時(shí)上傳3種工作模式下穩(wěn)定上傳考勤、消毒、過濾罐沖洗、水泵運(yùn)行等信號(hào)以及圖像數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心服務(wù)器。為了有效監(jiān)督現(xiàn)場管理人員是否按時(shí)、按標(biāo)準(zhǔn)到崗巡查，終端集成了供水站管理房進(jìn)門抓拍、考勤以及消毒、過濾的時(shí)長監(jiān)測(cè)等功能，如果某項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)就會(huì)向現(xiàn)場管理員和上級(jí)管理部門負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息。

5.1 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收軟件

數(shù)據(jù)接收軟件（見圖6）主要包括偵聽區(qū)、數(shù)據(jù)接收區(qū)、數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)、操作區(qū)以及設(shè)置區(qū)。通過數(shù)據(jù)接收軟件可以顯示終端發(fā)送上來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、圖片以及服務(wù)器下發(fā)的各類指令，同時(shí)通過設(shè)置區(qū)完成設(shè)備編號(hào)的遠(yuǎn)程設(shè)置、召測(cè)以及信號(hào)顯示等功能，并根據(jù)不同功能設(shè)置相關(guān)指令。

圖6中接收區(qū)第1行REGI表示設(shè)備注冊(cè)指令，00001表示設(shè)備編號(hào)；第2 ～ 5行HEBE表示心跳包指令；CONINIT表示數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)指令，設(shè)備號(hào)后面為時(shí)間，＜ IN ＞11100101 ＜ /IN ＞ 表示有消毒信號(hào)、過濾罐正沖洗信號(hào)和水泵運(yùn)行信號(hào)輸入，無考勤信號(hào)、圖像抓拍觸發(fā)信號(hào)、過濾罐反沖洗信號(hào)，第8通道預(yù)留未用；＜ OUT ＞01111111＜ /OUT ＞ 表示消毒柜遠(yuǎn)程開啟，＜ 485 ＞Z2.62/Y0.04/PH6.73＜ /485 ＞表示通過串口RS485采集的濁度2.62、余氯0.04、pH6.73三個(gè)水質(zhì)參數(shù)，通過對(duì)比數(shù)據(jù)采集終端上報(bào)的水質(zhì)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場水質(zhì)顯示數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致，說明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠；CONMESU表示服務(wù)器召測(cè)上報(bào)，所測(cè)數(shù)據(jù)與前面一致；IOTRIG表示現(xiàn)地觸發(fā)上報(bào)，＜ CON ＞IN7＜ /CON ＞表示第7位數(shù)據(jù)，即考勤信號(hào)上報(bào)。

圖6 數(shù)據(jù)接收軟件圖

5.2 WEB軟件平臺(tái)

WEB軟件平臺(tái)采用MVC框架結(jié)構(gòu)，主要由人員考勤、設(shè)備監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、短信提醒、地圖瀏覽、系統(tǒng)設(shè)置等模塊構(gòu)成。

人員考勤和設(shè)備監(jiān)測(cè)模塊均以日歷方式顯示。當(dāng)有考勤信號(hào)時(shí)，顯示考勤時(shí)間，點(diǎn)擊有考勤信號(hào)的日歷模塊，能夠顯示抓拍的圖像，可以有效記錄現(xiàn)場管理人員巡查的真實(shí)情況，同時(shí)起到安防作用。設(shè)備監(jiān)測(cè)包含消毒、過濾反沖等影響水質(zhì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水站運(yùn)行過程來控制水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊能夠?qū)Ω鱾€(gè)供水站的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并統(tǒng)計(jì)，不僅保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，而且可以大大提高水利部門的管理效率和管理質(zhì)量，同時(shí)為后期決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié) 語

根據(jù)目前農(nóng)村供水站在運(yùn)行管理中存在的點(diǎn)多面廣、地處偏遠(yuǎn)、管理薄弱且管理方式落后的現(xiàn)狀以及相關(guān)管理規(guī)范和浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)要求，研究設(shè)計(jì)一套基于STM32單片機(jī)的農(nóng)村供水站遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村供水站運(yùn)行管理中各個(gè)工藝流程、各項(xiàng)指標(biāo)的有效監(jiān)督，大大提高管理效率和管理質(zhì)量，有利于保證農(nóng)村飲用水安全，同時(shí)符合國家“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的要求。系統(tǒng)利用單片機(jī)開發(fā)數(shù)據(jù)采集終端，成本低廉，利用GPRS/CDMA無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，安全穩(wěn)定，功能完善。得到余姚市水利部門的認(rèn)可，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。