产品介绍
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本文介绍的是由华北水利水电大学李琛设计的泵站智能巡检系统，该系统改变了常规的专人值守的工作模式，实现泵站运行状态的远程智能巡检工作，达到自动监测、故障报警、提前预测等功能。
泵站智能巡检系统以 STM32 单片机为主，采用 M-BUS 总线作为泵站状态信息的传输总线。针对信息传输过程中受线路的损耗及外界干扰导致总线连接的设备减少、传输误码率高等问题，对 M-BUS 总线接口进行自适应改进；通过 Multisim 软件进行电路仿真并验证其电路的可行性，仿真结果显示改进的自适应电路提高总线传输的稳定性及传输效率。
根据泵站智能巡检系统的应用需求，结合机智云平台完成了系统的远程通信组网。通过 WiFi 无线通信模块将采集的泵站状态信息通过单片机串口上传至云端服务器或APP 应用软件；可在 APP 查看泵站的工作运行状态，实现泵站远程信息化的管理，达到管理模式的创新，提高工作人员的管理水平和工作效率。
当今水利工程发展的一个重要趋势是泵站自动化。不管是农业灌溉，还是水资源的调用，泵站都扮演着重要作用。一个完整的泵站巡检系统包括两个系统，一个是对泵站状态的实时采集系统，另一个是实时的数据传输系统。良好的数据采集和传输系统是监测整个泵站稳定运行的关键环节，将泵站的运行状态实时、准确、快速的传送至主机管理端，通过对数据进行分析处理，做出相应的判断，是保证系统稳定运行的前提。
现如今水利系统信息化建设基本实现自动化，但自动化效率并不高，仅能达到 50% 的运行效率，这归根于泵站监控系统中的一些不足：大多数泵站采用传统控制方式，只能实现短距离本地泵站巡检，不能统筹管理控制；泵站设备与上位机通信没有固定标准，设备之间通讯协议多样化；缺少运行数据的统计与收藏；故障自诊断功能不完善等。为此，本设计的泵站自动巡检系统集合了高精度传感器、单片机、M-BUS 总线、互联网、智能算法等技术，主要目的是为工作人员减轻负担，减少人为操作事故，提供实时监测状态，实现智能预测状态，改善半自动化巡检方式。
泵站的巡检系统是实时监测泵站的运行状态，并将状态信息传输至终端设备，便于监控泵站运行状态的健康情况。泵站运行的监测往往需要有专门的工作人员常驻在泵站所在地，人为巡检泵站的各个机组工作状态；而泵站大多分布在偏远郊区且相隔较远，不方便实时得知泵站运行信息。为了改善对泵站运行监控的不及时，设计泵站智能巡检系统。
根据泵站的运行原理与结构组成，对研究设计该系统需要解决的实际问题，展开泵站智能巡检系统的需求分析研究。
3. 整个系统要稳定可靠，有故障设备时应在不影响其他设备正常运行的情况下，及时报警反馈上级；
为了满足泵站巡检系统的需求，本系统采用以 M-BUS 通信总线为传输总线的有线采集系统，结合智能硬件设备，向泵站发送巡检命令，稳定收发泵站运行状态；并通过无线通信模块将信息上传给云端服务器，满足对泵站的远程控制工作，图1为泵站巡检需求架构图。
泵站的智能巡检系统是指在智能终端可实时查看泵站的运行状态、系统的健康运行情况，通过命令控制自动化设备执行相应操作；同时具有异常报警、状态分析及历史存储的综合自动化系统。根据对泵站的需求统计，此系统需具备泵站信息采集、数据传输、数据处理、数据显示以及对泵站的远程控制、监测等功能来完成对泵站运行状态的智能巡检工作。
为了实现本系统的预期功能，系统设计由硬件部分和软件部分组成，通过软硬件结合协调完成对泵站运行状态的监管。泵站巡检系统的硬件部分由对微选型设计、巡检功能设计、供电模块设计、显示设备设计、各类传感器设计及通信电路设计等组成；硬件连接泵站设备获取泵站信息并进行传输控制。软件部分主要包括控制程序的设计、通信协议的设定、远程终端的设计等，通过程序调用相辅相成发挥智能硬件作用。
根据泵站状态巡视监测的功能，泵站状态巡检系统的硬件结构可以分为现场从机数据采集层、主机控制层、远程管理层。图2为泵站巡检硬件结构图。现场从机采集层主要是由现场监测装置和数据采集单元通过传感器对泵站的的工作环境、泵站机组的工作温度、转速等进行实时采集，将采集到的参数传输送数据分析层进行分析处理。
主机控制层是指对 M-BUS 传输的信息进行处理后，当运行状态有故障发生时，具有报警提醒功能；根据运作情况控制泵站从机设备的启停、泵站机组的电压电流、泵站水位阀门的开关；主机控制层外接显示设备，工作人员可根据显示情况直观观测到运行情况，能及时发现故障点；建立主机与 WiFi 模块通信信道，实现网络通信。
远程管理层是由远程移动设备、云端服务器构成的，主要是将接收到的泵站状态信息通过网络协议传输至远程终端设备上，工作人员可随时随地通过互联网登录软件查看泵站运行状态，进行监测、分析、故障诊断、维修安排，方便对泵站运行进行管理。
本系统的软件设计遵循软件工程设计的模块化思想，将泵站巡检系统的功能模块化，分为数据采 集通信模块、无线通信模块、故障报警模块、数据分析处理模块、移动应用终端等组成，图3为软件结构图。
*数据采集通信模块主要是建立获取现场传感器监测的泵站运行状态之间的协议，定时下发询问命令，检测泵站机组是否在线工作，如若在线工作，在接收到询问信息后，自动给主机回送在线命令，并发送采集的设备信息。
*无线通信模块是负责建立 MCU 与云服务器的通信，为远程监控泵站状态充当桥梁作用。无线通信保证移动客户端的泵站数据实时更新，实时传输数据至服务器，同时向MCU 发送故障诊断数据请求和控制命令。
*故障报警模块是将获取的泵站状态与设定的正常值进行对比分析，如若不超过标准值，表示设备正常运行；若不在标准值范围，启动报警装置，提醒工作人员检查泵站运行设备。
*泵站状态数据分析处理层是将采集的数据进行运算处理。如若泵站的部分信息超过正常运行值，将引发故障报警，及时提醒工作人员监测；同时控制中心接收到故障值信息，启动控制设备对泵站运行状态进行调控。数据处理层还包括对泵站信息的存储、历史数据的调用和查询功能。
*移动 APP 的建立是通过机智云物联网平台与 APICloud 连接搭建的，为了方便实时查询泵站数据，便于远程诊断。
泵站巡检系统的硬件部分由从机和主机构成。主机主要负责接受从机数据、显示数据、网络上传及控制命令的收发，要求同时与多个从机相通讯，实时性要好，因此要选用处理芯片速度要快；从机部分主要是接受水位、流速、压力、转速等多个传感器采集到的信息，由于传感器采集的信号为模拟电信号，单片机不能直接对模拟信号进行读取，对采集信号做 AD 转换，转为数字信号，并对信号进行数字处理后将传感器信息上传给主机。泵站需要连接多个传感器，要求控制芯片要有足够的外部接口。硬件系统的健康运行是保证整体系统稳定的关键一步。
主机系统的功能是接收从机发送的数据，存储并分析数据状态；在巡检过程中发现泵站运行状态信息不符合正常工作状态时，可以发送报警功能；将泵站信息实时显示在监控显示屏上，并且通过 WiFi 模块把数据上传至云端，实现远程实时监控，主要功能电路图如图4所示。
主机的核心控制模块采用单片机 STM32F10x 系列，根据几款型号的STM32F10x 系列微处理器进行对比，由于STM32F103 系列芯片具有处理速度快、内部存储空间大,可扩展结构多等优点。最终选用STM32F103RCT6 型号芯片。图5为 STM32F103RCT6 原理图。
主机要驱动人机交互设备、无线 WiFi 模块等设备工作，需要用到 5V 和 3.3V 电压。图6是主机电源模块，24V 外部电源经过 Lm2575-5 降压芯片后降压到 5V，5V 电压，经过 AMS117-3.3 后将电压降到 3.3V 供给微、存储模块和时钟模块使用。
从机将采集到的设备信息发送给主机，并存储在主机存储芯片，在查询历史记录时便于查询到相应的设备状态及操作指令。系统存储模块选用的 AT24C256 芯片，具有对硬件的写保护功能及对软件数据保护功能。图7 所示为 AT24C256 电路图。
要实现泵站智能巡检系统的主机与智能终端设备的通信，便要借助无线通信。常考虑 WiFi 模块具有高带宽，传输快，可扩展性强，普及度高，实际应用方便、成本低等性能优点，便采用ESP8266 WiFi 模块作为网络通信方式。此芯片的原理图如图8 所示。
ESP8266 WiFi 模块通过串口与 STM32 主机芯片进行通讯，RXD 为接收数据引脚，连接单片机 TX 引脚，从单片机中获取数据；TXD 为发送数据引脚，连接单片机 RX 引脚，向单片机发送接受数据返回值。
在泵站智能检测系统中，由于需要监测的参数多，普通的数码管与 LED 点阵屏不 能实现直观显示，系统采用 TJC8048X570_011C 的 5 英寸电容显示屏作为显示设备。下图9为显示屏的实际图。使用该串口显示屏需要注意不要重复供电，重复供电容易超出工作电压范围，造成烧毁芯片。
从机电路主要是由多个功能相同的从机构成的，主要功能是监测泵站的运行水位情况、流速状态、电压情况、机组温度等运行情况及外设控制设备，需用到多路传感器及开关电路。
从机负责获取泵站的状态信息及对设备的控制，要连接泵站的多个传感器与控制设 备。当从机接受到主机的命令后，依次将采集到的各泵站的状态信息发送到主机上。由于一些采集信号为模拟信号，需要将信号进行 A/D 转换；存储芯片与单片机连接需要用到串口或者 IIC 端，单片机需要具备这些功能。主机选用的 STM32F103 单片机芯片同样满足从机需求，便采用同样的芯片。
为了保证各模块的供电电压统一采用外部 24V 电源供电。从机电源电路如图 3-7 所示。从机设备连接的泵站控制阀和输入 4~20mA 的电流转换芯片需要 12V 工作电压，采用 LM2575 芯片；而信号转换器（AD 转换）和单片机工作需要对 12V 电压再降压，采用 AMS1117 使 12V 电压转为 5V 和 3.3V 供单片机工作。
泵站运行中需要监测多个参数，通过传感器实现对泵站运行状态监测，下面对几种监测传感器展开介绍。
采用 53W-1HHC0B1 电磁流量计来监测泵站工作的流量信息，当测量导电液体通过时产生的电动势得出液体流量，流量计可双向测量使用，具有设备自我监测、诊断功能。
本系统选用投入式液位传感器 WL-400F，该传感器采用防腐材料设计，具有耐水性能良好、高精度测量芯体，防弯折设计等特点。投入式液位传感器技术指数如表1所示。
继电器是通过低电平去控制高电平的的电子器件，通过控制泵站中继电器的开关情况进而控制泵站的运行状态；继电器设备在电路中还具有自动调节功能，可防止线为继电器驱动电路。
通过根据 M-BUS 传输特性设计 M-BUS 自适应接口电路，使其能自动调整适应总线电流、电压变化，降低传输过程中线路的干扰，通过电路仿真软件 Multisim 对设计电路进行仿线）M-BUS 从机通讯接口
M-BUS 从机接口主要是连接 M-BUS 总线，将单片机采集到的泵站运行状态信息通过从机 M-BUS 接口传送到 M-BUS 总线发送给主机。主机向从机发送采集命令，从机接受到命令后，有序的将采集的泵站信息发送给主机。主机与从机之间的通信功能通过 TSS721A 芯片采用对应的 M-BUS 通信协议实。