基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)的多泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

杜石雷 劉繼偉 林考

摘? 要：為了實現(xiàn)特殊環(huán)境下泵站的監(jiān)控和操作，本文設(shè)計了一套泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)開發(fā)，節(jié)點之間通過Lora無線通信傳輸數(shù)據(jù)，并且借助標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議采集泵站數(shù)據(jù)，實現(xiàn)狀態(tài)檢測和操作控制。經(jīng)過實際現(xiàn)場運行測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，表明該方案是可行的，且具備一定的實際推廣價值。

關(guān)鍵詞：RT-Thread;遠程監(jiān)控;Lora無線傳輸

中圖分類號：TV675? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0 概述

在實際生產(chǎn)中，為了有效監(jiān)控多個泵站的運行狀態(tài)以及下發(fā)指令進行操作，需要通過硬接線或者現(xiàn)場總線組成網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，而在一些特殊環(huán)境（比如海上、山地、丘陵等）下，存在傳輸距離遠、布線困難等問題[1]。為了有效改善以上問題，實現(xiàn)多泵站的遠程監(jiān)控，為狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實施打下良好基礎(chǔ)?；诖?，本文提出一種基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)的多泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用Lora無線通信技術(shù)，軟件運行在嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread上，功能節(jié)點分為無線通信終端主節(jié)點和無線通信終端從節(jié)點，均采用STM32單片機進行開發(fā)。

1 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括以下4個功能部分：無線終端主節(jié)點、無線終端從節(jié)點、設(shè)備采集器和數(shù)據(jù)共享節(jié)點。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，實現(xiàn)該系統(tǒng)的主要節(jié)點為無線通信終端，其分為主節(jié)點和從節(jié)點，一般系統(tǒng)中會配置一個主節(jié)點，根據(jù)泵站設(shè)備數(shù)量配置若干個從節(jié)點，主從節(jié)點采用Lora無線通信技術(shù)，內(nèi)部采用自定義應(yīng)用協(xié)議進行通信。多個從節(jié)點采集到的泵站設(shè)備狀態(tài)信息匯聚到主節(jié)點，由主節(jié)點統(tǒng)一預(yù)處理接收數(shù)據(jù)，然后發(fā)布給標(biāo)準(zhǔn)第三方系統(tǒng)使用。

無線通信終端主節(jié)點通過Modbus協(xié)議為第三方系統(tǒng)平臺實現(xiàn)接入接口，一般作為Modbus從站運行，根據(jù)第三方系統(tǒng)需要配置為Modbus RTU模式運行;而從節(jié)點通過Modbus協(xié)議采集泵站變頻器運行狀態(tài)信息以及下發(fā)操作指令，作為Modbus主站運行，由于泵站變頻器或者軟啟一般支持RS485接口，所以從節(jié)點采用Modbus RTU模式運行。

2系統(tǒng)設(shè)計

為了保證該系統(tǒng)能夠應(yīng)對復(fù)雜的運行環(huán)境，在通信終端設(shè)備的開發(fā)中，其軟件和硬件設(shè)計都要充分考慮其可靠性問題[2]。該系統(tǒng)總體上遵循模塊化的設(shè)計思路，并將功能分散到各個模組中進行實現(xiàn)[3]，單個組件的失效不會影響其他設(shè)備或者功能的正常運行。

2.1 硬件電路

由意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列單片機，采用專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的顯著優(yōu)勢，同時具有豐富的外設(shè)資源，在功耗和集成度方面均有不俗的表現(xiàn)[4]。內(nèi)核采用ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法;支持最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口。

基于以上顯著優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用STM32系列單片機中的STM32F103RET6進行開發(fā)，其片上資源和外設(shè)控制器能夠滿足本系統(tǒng)開發(fā)需求，硬件電路只需增加必要的緩沖和驅(qū)動電路即可。

2.2 軟件設(shè)計

由于工業(yè)控制場合對系統(tǒng)實時性和可靠性要求較高，尤其是任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行周期的確定性要求更為嚴格。在遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，根據(jù)要完成的任務(wù)劃分為多個線程，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)進行線程調(diào)度，從而滿足工控系統(tǒng)的苛刻要求。

2.2.1 RT-Thread實時操作系統(tǒng)

RT-Thread是一款主要由中國開源社區(qū)主導(dǎo)開發(fā)的開源實時操作系統(tǒng)（許可證GPLv2），其是最簡潔、優(yōu)雅的開源操作系統(tǒng)之一，且已經(jīng)建立了較為成熟的上下游生態(tài)[5]。RT-Thread不僅僅是一個單一的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，也是一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，其包含了實時、嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個組件：TCP/IP協(xié)議棧，文件系統(tǒng)，libc接口，圖形用戶界面等。相較于Linux操作系統(tǒng)，RT-Thread體積小，成本低，功耗低、啟動快速，除此以外RT-Thread還具有實時性高、占用資源小等特點，其易裁剪，易擴展，適用于不同檔次的產(chǎn)品，大大增加軟件的可復(fù)用性，提升開發(fā)的效率，非常適用于各種資源受限（如成本、功耗限制等）的場合。

該監(jiān)控系統(tǒng)采用RT-Thread操作系統(tǒng)，充分發(fā)揮其多線程調(diào)度優(yōu)勢，利用生態(tài)系統(tǒng)中成熟的組件，縮短軟件開發(fā)周期，增強軟件可重用性和可維護性。

2.2.2 Modbus軟件設(shè)計

作為工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的現(xiàn)場總線協(xié)議，Modbus獲得了廣泛的應(yīng)用，大部分現(xiàn)場設(shè)備均支持該協(xié)議。本系統(tǒng)中的泵站設(shè)備由變頻器驅(qū)動，型號為深川S350，配有隔離通信擴展卡，支持RS-485數(shù)據(jù)傳輸，通信協(xié)議為Modbus RTU。

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器作為Modbus主站運行，采集S350變頻器的運行狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)、故障信息、功能碼參數(shù)，并且能夠向變頻器發(fā)送操作命令、設(shè)定運行頻率、改寫功能碼參數(shù)等。該任務(wù)主要由threadModbusPoll工作線程完成，在RT-Thread操作系統(tǒng)下，開啟用戶線程的方法為：

rt_thread_init（&thread_ModbusPoll， "MBMasterPoll"， threadModbusPoll，

RT_NULL， thread_ModbusPoll_stack， sizeof（thread_ModbusPoll_stack）， thread_ModbusPoll_Prio，5）;

rt_thread_startup（&thread_ModbusMasterPoll）;

總體上來看，在該線程中，首先完成通信端口的初始化，然后使能相關(guān)端口，最后啟動Modbus主站的輪詢工作，在輪詢時，需要用戶按照變頻器通信手冊提供的寄存器列表調(diào)用相應(yīng)的API完成。該部分的軟件工作流程如圖2所示。

2.2.3 Lora通信設(shè)計

Lora模塊配置信息表，Lora通信采用E22-400T30S拳新一代Lora無線模塊，基于SEMTECH公司SX1268射頻芯片的無線串口模塊[6]，工作在410.125-493.125MHz頻段，其傳輸距離遠，速度快，并且功耗低，支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動中繼、通信秘鑰等功能，支持分包長度設(shè)定[7]。其參數(shù)配置如表1所示。

2.2.4 變頻器連接與設(shè)置

現(xiàn)場泵站設(shè)備由變頻器進行驅(qū)動，本系統(tǒng)選擇的變頻器為深川S350系列變頻器，這是一款高性能矢量變頻器，可用于異步電機和永磁同步電機的控制，因此電機控制性能明顯提高。該變頻器同時支持端子控制、手動控制和通信控制等工作模式，在該遠程泵站監(jiān)控系統(tǒng)中，主要采用通信控制方式。

變頻器接線端子上的RS-485通信接口與無線通信主節(jié)點的通信端口進行連接[8]，即數(shù)據(jù)線A接A，B接B，GND接GND，一般來說，每臺變頻器都會單獨接入到無線通信主節(jié)點中。變頻器的軟件通信參數(shù)設(shè)置為：波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，校驗位無，停止位1位，同樣的，無線通信主節(jié)點的通信參數(shù)也要設(shè)置為相同的屬性。實際工作過程中，變頻器通信的數(shù)據(jù)點位如表2所示，其中的數(shù)據(jù)點既包括變頻器上傳的狀態(tài)參數(shù)，也包括遠程下發(fā)的控制指令。

2.3 上位機設(shè)計

為了直觀、形象地展示監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，最大限度地方便工程技術(shù)人員查詢、操作、配置監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，本系統(tǒng)配置一臺觸摸屏，型號為TK6071iP。該觸摸屏為寬輸入電壓范圍10.5～28VDC，800×480 TFT LCD，LED背光燈，內(nèi)建儲存內(nèi)存及萬年歷，達到IP65面板防護等級，具備RS-485接口，最大通信速率可達187.5K，內(nèi)置電源隔離保護。

該觸摸屏可對泵站進行遠程集中監(jiān)控，能夠?qū)ぷ麟妷骸㈦娏?、運行狀態(tài)等參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)控，并能夠泵站進行成組或單獨操作。數(shù)據(jù)通信均通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)觸摸屏與無線通信終端主節(jié)點之間的通信。

3 運行效果

按照系統(tǒng)運行要求，將無線通信終端主節(jié)點、從節(jié)點、觸摸屏進行正確連接后，對照變頻器通信數(shù)據(jù)點表，配置寄存器地址，能夠通過觸摸屏上位機界面上查看當(dāng)前各個遠程泵站運行參數(shù)和狀態(tài)，并能夠通過觸摸屏下發(fā)控制命令，遠程實現(xiàn)泵站的啟停操作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，參數(shù)傳輸可靠，控制命令下發(fā)準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

實踐表明，提高遠程監(jiān)控系統(tǒng)的自動化、信息化水平，可以顯著提高成套裝備的可靠性和可維護性。多泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為一個典型代表，通過引入嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread，借助于其多任務(wù)處理優(yōu)勢，通過智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制技術(shù)，增強系統(tǒng)的可靠性、可維護性?，F(xiàn)場運行結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完成了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)，為實現(xiàn)遠程泵站監(jiān)控系統(tǒng)信息化和智能化提供了技術(shù)支撐。

參考文獻

[1]梅幼亞，姚毅，于洋，等.基于西門子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（13）：220-221.

[2]邱偉峰.一體化智能型泵站軟測量監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及試驗驗證[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2019.

[3]葉沛洪.PLC控制技術(shù)在泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].自動化應(yīng)用，2019（5）：89-90.

[4]王煦竹.一種無線地震數(shù)據(jù)采集節(jié)點系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[5]李海園.基于RT-Tread OS和OneNet云的IoT系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（1）：75-76+82.

[6]吳梅梅，王德永.基于LoRa的無線溫濕度節(jié)點設(shè)計在機房中的應(yīng)用研究[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2020，22（3）：1-4.

[7]鐘智杰，楊昊旋，崔鵬，等.基于STM32的智能四輪全向移動可重構(gòu)避障機器人[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（9）：112-115+118.

[8]李通，韓建萍，魏誠.基于STM32電氣控制器硬件設(shè)計[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2020，33（4）：100-102.

收稿日期：2020-05-08

▲基金項目：天津市教委科研計劃項目（2019KJ156）。

作者簡介：杜石雷（1988—），男，河北保定人，研究生，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)與系統(tǒng)。

Design of Remote Monitoring System for Multi-pump Station Based on RT-Thread Real-time Operating System

DU Shilei1， LIU Jiwei1， LIN Kao2

（1. Zhonghuan Information College Tianjin University of Technology， Tianjin? 300380;

2. Automisun （Tianjin） Technology Co.， Ltd.， Tianjin? 300401）

Abstract：In order to realize the monitoring and operation of pumping station under special environment， this paper designs a set of remote monitoring system for pumping station.The system is developed based on the RT-Thread real-time operating system， and the nodes transmit data through Lora wireless communication， and use the standard Modbus protocol to collect pump station data to achieve status detection and operation control.After the actual field operation test， the system is stable and the data transmission is normal， indicating that the scheme is feasible and has certain practical promotion value.

Keywords： RT-Thread; remote monitoring; Lora wireless transmission