壓力變送器在物聯(lián)網(wǎng)水壓監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制中應(yīng)用

本文依托物聯(lián)網(wǎng)平臺，以Arduino uno單片機(jī)為控制核心，利用壓力變送器把水壓變換成（4～20ma）電流信號，經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路變?yōu)椋?～5V）電壓，轉(zhuǎn)換后的電壓信號送入單片機(jī)模塊，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部程序處理后，通過W5100網(wǎng)絡(luò)模塊連接至物聯(lián)網(wǎng)平臺。在網(wǎng)絡(luò)平臺上與手機(jī)界面上顯示壓力數(shù)據(jù)曲線與壓力值，撥動平臺與手機(jī)界面上相應(yīng)的開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外裝置可綁定微博（或者微信），當(dāng)壓力異常時(shí)發(fā)送信息進(jìn)行壓力異常報(bào)警。

1.引言

         傳統(tǒng)的變頻器恒壓供水系統(tǒng)反映了局部官管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，但是，沒有和物聯(lián)網(wǎng)鏈接，無法把運(yùn)行數(shù)據(jù)隨時(shí)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)上，不適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，采用大數(shù)據(jù)分析時(shí)無法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文在原有變頻器恒壓供水控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依托物聯(lián)網(wǎng)概念，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交互。通過電腦端，手機(jī)端實(shí)現(xiàn)信息的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控與反向控制。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由以下模塊組成：

1)傳感器檢測和電流電壓轉(zhuǎn)換電路模塊；

2)Arduino uno單片機(jī)為運(yùn)行控制器模塊；

3)W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊；

4)Yeelight開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺；

5)電腦或手機(jī)端檢測與控制：

6)繼電器控制電路模塊；

7)原變頻恒壓供水模塊；

8)程序流程圖。

3.主要模塊及電路介紹

3.1 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

    電流電壓轉(zhuǎn)換電路由傳感器電路、電源電路、整形放大電路組成。

3.1.1 傳感器采用壓力變送器

     使用24V直流電，它的內(nèi)部有集成電路測量膜片，感受壓力產(chǎn)生形變，經(jīng)線性及溫度補(bǔ)償電路轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出。

3.1.2 電源電路、整形放大電路

電源電路、整形放大電路

      7660可進(jìn)行倍壓轉(zhuǎn)換，即VOUT=2VIN.輸入5V電壓，8腳得到10V電壓作為運(yùn)算放大器LM324的電源電壓。傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過電阻R3后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過運(yùn)算放大器（電壓跟隨器）U2A后進(jìn)行RC濾波，并且此環(huán)節(jié)R4，R5有消耗過電壓能量，抑制震蕩的作用，經(jīng)過U2B后在U2C的輸入端構(gòu)成同相加法器，調(diào)節(jié)精密可調(diào)電阻RP1可根據(jù)輸入信號調(diào)節(jié)輸出電壓范圍（LM324 8腳調(diào)至0～5V）。送Arduino UNO R3單片機(jī)模擬輸入端口A3,由單片機(jī)把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。再發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺以曲線形式顯示。

3.2 Arduino uno單片機(jī)為運(yùn)行控制器模塊

    Arduino UNO R3電路原理圖如圖2所示，處理器核心是ATmega 328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz的晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。編程軟件采用Arduino IDE。編程語言用C語言。應(yīng)用模塊以庫文件存在于IDE編程軟件中，使編程簡單化；可實(shí)現(xiàn)圖形化編程。與W5100連接可訪問互聯(lián)網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測及控制。由電源自動選擇電路、供電電路、單片機(jī)電路、USB接口電路組成。

3.2.1 Arduino供電電路

    供電模式1：外接9V電源經(jīng)保護(hù)用二極管D1（反接時(shí)不燒毀），由NCP1117ST50T3G低壓差正電壓穩(wěn)壓器變成5V輸出。

3.2.2 電源自動選擇電路

     供電模式2：選擇USB口或用外接電源供電；

     USB接頭提供5V的電壓，經(jīng)自復(fù)式保險(xiǎn)管（電流大于500mA的時(shí)候，該保險(xiǎn)管會自動斷開，電流恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)后，保險(xiǎn)管會自動恢復(fù)連接）提供5V電壓。外接電源VIN經(jīng)分壓電阻分壓后加到運(yùn)放LM358的3腳；當(dāng)輸入電壓大于7V時(shí)，3腳電壓高于2腳電壓（3.3V），1腳輸出高電平；FDN340P PMOS管處于截至狀態(tài)，從而切斷了USB接口的供電。當(dāng)外接電源輸入電壓VIN小于6V時(shí)，LM358的3腳電壓低于2腳(3.3V)， 1腳輸出低電平。FDN340P管處于導(dǎo)通狀態(tài)，由USB口供電。LP2985-33DBV是線性穩(wěn)壓器，負(fù)責(zé)把5V電源轉(zhuǎn)變成3.3V電源，該器件能給Arduino UNO提供大約50mA的電流。

3.2.3 USB接口部分

ATmega16U2是USB接口芯片，其特征包括：

1)8K/16K字節(jié)的Flash,支持自擦寫功能。512字節(jié)EEPROM和512字節(jié)SRAM。

2)內(nèi)置Boot-Loader功能(Arduino Uno引導(dǎo)加載程序)。

3)支持USB全速，包含4個(gè)USB輸入輸出端口。

4)包含內(nèi)置晶振。

5)操作電壓范圍為2.7V到5.5V。2.7V時(shí)，非常大工作頻率是8MHz；4.5V時(shí)，非常大工作頻率是16MHz。

         Arduino UNO板上ATmega16U2將USB口轉(zhuǎn)為串口，由8腳和9腳的M8RXD和M8TXD與主控芯片ATMEGA328P-AU的串口引腳2和3相連接。

3.2.4 主控芯片部分

         主控芯片ATMEGA328P-AU的工作電壓為5V，每個(gè)I/O腳的非常大輸出電流：40mA，F(xiàn)lash大小：32K字節(jié)，SRAM大小：2K字節(jié)，EEPROM大小:1K字節(jié)，時(shí)鐘頻率非常大為16M。

3.3 W5100網(wǎng)絡(luò)通信模塊

      網(wǎng)絡(luò)接口部分：

       W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡單的端口（Socket）編程。W5100網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖如圖4所示。該模塊由電源電路（三端集成穩(wěn)壓芯片L1117T-3.3V把5V電壓變成3.3V供W5100和RJ45使用）、W5100電路(負(fù)責(zé)單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)通訊)、晶振電路（產(chǎn)生25MHZ振蕩頻率）、網(wǎng)絡(luò)接口RJ45（網(wǎng)線接口）組成。

        Arduino UNO板上W5100與主控芯片ATMEGA328P-AU通過SPI接口SS、MOSI、MISO和SCLK共四個(gè)引腳進(jìn)行連接。SPI是由美國摩托羅拉公司非常先推出的一種同步串行傳輸規(guī)范，也是一種單片機(jī)外設(shè)芯片串行擴(kuò)展接口?！　PI模式可以允許同時(shí)同步發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)，并支持4種工作方式：

      SPI工作方式簡介：4個(gè)接口信號為：串行數(shù)據(jù)輸入(MISO，主設(shè)備輸入、從設(shè)備輸出)、串行數(shù)據(jù)輸出(MOSI，主設(shè)備輸出、從設(shè)備輸入)、移位時(shí)鐘(SCK)、低電平有效的從設(shè)備使能信號(cs)。SPI非常大的特點(diǎn)是由主設(shè)備時(shí)鐘信號的出現(xiàn)與否來確定主/從設(shè)備間的通信。一旦檢測到主設(shè)備的時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)開始傳輸。

        W5100通過網(wǎng)絡(luò)變壓器與RJ45網(wǎng)卡接口相連接，RJ45再和路由器相連接。所以，以W5100構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)模塊與Arduino單片機(jī)組合，可以很輕松的與物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行對接。

3.4 Yeelight開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺

     在Yeelight物聯(lián)網(wǎng)平臺, 注冊賬號，創(chuàng)建設(shè)備及傳感器。壓力曲線及監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制如圖5所示；綁定微博或微信作為壓力異常報(bào)警接收端。

3.5 電腦或手機(jī)端檢測與控制

         以手機(jī)端檢測與控制為例，物聯(lián)網(wǎng)平臺有相應(yīng)的手機(jī)端APP軟 件（IOS和Android），手機(jī)端軟件與電腦端功能相同。

         （1）登錄手機(jī)端Yeelink賬號；（2）點(diǎn)擊相應(yīng)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；（3）點(diǎn)擊壓力變送器將打開圖表顯示壓力曲線。

3.6 繼電器控制電路模塊

    繼電器控制電路有NPN型三極管、5V繼電器、電阻、二極管組成，電阻為三極管基極的限流電阻，二極管為繼電器線圈的保護(hù)二極管。觸發(fā)方式為高電平出發(fā)，繼電器常開觸點(diǎn)連接在PLC輸入端口上，PLC輸出端口通過PID調(diào)節(jié)儀連接變頻器IRF、ACM端口，變頻器通過變頻和切換工頻/變頻控制電機(jī) 轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制水壓，并配合PLC切換三臺電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

3.7 原變頻恒壓供水模塊

    原變頻恒壓供水模塊已經(jīng)具有：(1)低恒壓值運(yùn)行，保障生活用水，高恒壓值運(yùn)行，保障消防供水；(2)三臺泵已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“先開先停接入/退出；(3)一臺泵運(yùn)行3小時(shí)，切換下一臺泵；(4)對泵有手動控制功能；(5)有報(bào)警功能；(6)當(dāng)壓力穩(wěn)定時(shí)維持；(7)壓力不足時(shí)增泵；(8)壓力超過設(shè)定時(shí)減泵。由于篇幅所限不再論述。

4.小結(jié)

     本文論述了“變頻恒壓供水+物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)水壓監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制；并據(jù)此制作出“基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”，有一定的創(chuàng)新點(diǎn)。為使用大數(shù)據(jù)分析官網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)成為可能，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。