薛晨洋

（蘇州希格瑪科技有限公司，江蘇 蘇州215006）

0 引言

水泵在生活中的應(yīng)用越來越廣泛,除了農(nóng)業(yè)灌溉，工業(yè)取水等用途，像消防水泵房，高建筑居民水泵房也無處不在，這就導(dǎo)致水泵的修理與維護(hù)問題越來越突顯的重要。 水泵測試的方法已經(jīng)有很多,包括使用儀器進(jìn)行參數(shù)測量，使用虛擬儀器對其進(jìn)行測試。 但是往往實(shí)施起來比較麻煩,成本較大。 很多問題如果能及早的發(fā)現(xiàn),那么維修起來會(huì)比較方便，成本與代價(jià)也較低。 這就要求能夠?qū)λ玫倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的不斷的監(jiān)測，但水泵房一般不具備接入互聯(lián)網(wǎng)條件，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控功能，解決這一問題對于水泵的安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文實(shí)現(xiàn)了水泵集群監(jiān)測管理系統(tǒng)。除了對水泵狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括監(jiān)測電流，電壓，水位，問題等信息，還對水泵設(shè)計(jì)了安全保護(hù)，采用RFID 技術(shù)來設(shè)計(jì)其保護(hù)板，并采用以太網(wǎng)傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)了水泵集群的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：

（1） 硬件設(shè)計(jì)主要包括水泵RFID 保護(hù)板硬件設(shè)計(jì)和RFID 閱讀器硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

（2）RFPMS 系統(tǒng)嵌入式軟件包括水泵保護(hù)板程序和RFID 閱讀器程序，在設(shè)計(jì)時(shí)將軟件劃分為硬件模塊驅(qū)動(dòng)、RF 通信協(xié)議、應(yīng)用邏輯控制幾個(gè)部分，力求設(shè)計(jì)邏輯清晰、功能完善。

（3）RFPMS 系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為三大部分，偵聽軟件、數(shù)據(jù)庫以及監(jiān)測軟件。

1 相關(guān)工作

水泵測試發(fā)展：

泵測試技術(shù)的研究與發(fā)展對于水泵基礎(chǔ)理論的研究和發(fā)展、水泵性能的改進(jìn)、水泵設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新等都有著極其重要的作用。 尤其實(shí)在使用過程中的維護(hù)這一過程，測試水泵顯得尤為重要[1]。

歐、美等發(fā)達(dá)國家對泵測試技術(shù)的研究起步較早，測試系統(tǒng)的產(chǎn)品已比較成熟，對于特殊泵的研制、泵的特性測試等方面國外技術(shù)更加成熟。 1961 年，英國國立工程實(shí)驗(yàn)室（NEL）就建立了自己的水力試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)適用于水泵和模型水輪機(jī)（最大直徑500）的性能試驗(yàn)。 最近，西德KSB 公司和瑞士蘇爾康公司水泵試驗(yàn)臺(tái)均采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)， 例如英國Cussons Technology 公司生產(chǎn)的P6250齒輪泵、軸流泵、離心泵和活塞泵測試平臺(tái)等。但這類水泵測試裝置仍存在如數(shù)據(jù)處理功能薄弱、缺少嵌入式數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、效率不高等缺陷[2]。

國內(nèi)傳統(tǒng)的測試方法采用各種儀器來測試各參數(shù)手段落后、測試儀表眾多、測試精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、測試效率低等缺，成本較大[3]。 也有采用虛擬儀器來測試水泵，基于虛擬儀器技術(shù)的水泵性能檢測專家系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對各種信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、分析和處理,運(yùn)用虛擬PID 控制器實(shí)現(xiàn)了流量自動(dòng)控制, 利用LabView 多項(xiàng)式擬合模塊對性能測試，利用圖形編程化來編寫軟件[3]。最近為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程化監(jiān)控，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來對水泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[5],基于PLC 控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的更新改造，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵站無人值守的目的[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括水泵RFID 保護(hù)板硬件設(shè)計(jì)和RFID 閱讀器硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1 水泵RFID 保護(hù)板硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片

在嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，器件選型是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯佑绊懼a(chǎn)品的最終性能。 本文設(shè)計(jì)的水泵RFID 保護(hù)板主控芯片帶有工作在2.4GHz ISM 頻段的RF 收發(fā)器模塊，ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，允許任何人隨意地傳輸數(shù)據(jù)，但是對所有的功率進(jìn)行管制，使得發(fā)射臺(tái)只有很短的距離，因而不會(huì)相互干擾,并且兼容IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。 因此，本文選擇了Nordic 公司生產(chǎn)的NRF24LE1 作為保護(hù)板主控芯片。 nRF24LE1 具有以下突出優(yōu)點(diǎn):（1）功耗低，（2）體積小。

NRF24LE1 主控芯片的最小系統(tǒng)主要包括電源模塊、 晶振模塊、復(fù)位模塊，程序燒錄模塊和RF 通信模塊。

2.1.2 保護(hù)模塊

保護(hù)模塊主要實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行過程中的監(jiān)測以及保護(hù)功能，確保水泵正常工作狀態(tài)。 主要功能包括：水位壓力監(jiān)測保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)以及溫度控制保護(hù)。

本系統(tǒng)采用KYS2003 作為壓力傳感器，AD620 作為信號(hào)放大器，用ADC0809 作為A/D 轉(zhuǎn)換器。 電參數(shù)的采樣需要輸入ABC 三相電壓和電流， 綜合功能、 可操作性、 性能等方面， 我們綜合考慮選用ATT7022B 作為檢測芯片。

電池組在工作當(dāng)中工作電壓不穩(wěn)定，例如機(jī)械上電，充電器接入，負(fù)載連接等等都護(hù)造成電壓的較大變化。 為了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)中在電路的關(guān)鍵部分采用了瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，作為電路保護(hù)部分，TVS 管使用時(shí)與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用， 具有極快的相應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高浪涌吸收能力。 可以保護(hù)電路免受靜電、負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓的傷害。

2.2 RFID 閱讀器硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 主控芯片模塊

RFID 閱讀器設(shè)計(jì)用來實(shí)現(xiàn)水泵信息數(shù)據(jù)的采集與上傳。 在具體功能上，RFID 閱讀器能夠發(fā)送低頻喚醒信號(hào)來喚醒附近的RFID 保護(hù)板， 之后通過RF 模塊與之取得數(shù)據(jù)通信。 之所以通信頻率選為2.4GHz 頻段，是因?yàn)楦哳l信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)穩(wěn)定，比較適合用來作為數(shù)據(jù)傳輸通道[6]。 而125KHz 低頻信號(hào)穿透力強(qiáng)，接收芯片能夠放置在密封容器內(nèi)部，同時(shí)功耗可以維持在μA 級別以下，長時(shí)間待機(jī)也不會(huì)消耗太多的電能。 所以低頻喚醒芯片比較適合用在RFID 節(jié)點(diǎn)上面。 閱讀器硬件模塊框圖如圖1 所示。

圖1 閱讀器硬件模塊框圖

2.2.2 低頻喚醒信號(hào)發(fā)生模塊

低頻喚醒信號(hào)用來喚醒AS3933 芯片， 是在125KHz 載波的基礎(chǔ)之上， 通過編碼調(diào)制產(chǎn)生的。 具體實(shí)現(xiàn)方式是由主控芯片LM3S6965中的PWM 模塊用來產(chǎn)生125KHz 載波， 通用IO 口輸出調(diào)制信號(hào)波形，最后由與門將兩者結(jié)合產(chǎn)生低頻喚醒信號(hào)，使用TC4422 芯片將3V 的125KHz 信號(hào)轉(zhuǎn)化為12V，使其有足夠的能量來驅(qū)動(dòng)喚醒天線。

圖2 TC4422 原理圖

2.2.3 RF 模塊

RFID 閱讀器高頻通信模塊采用NRF24LE1 芯片作為RF 無線數(shù)據(jù)收發(fā)器，其主體設(shè)計(jì)參見鋰電池RFID 保護(hù)主控芯片最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。為了增大NRF24LE1 無線信號(hào)覆蓋范圍，RFID 閱讀器增加了一款無線信號(hào)功率放大芯片CC2591。

3 RFPMS 系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

為了提高嵌入式軟件模塊通用性，本文設(shè)計(jì)時(shí)參考驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的分層模型，即將驅(qū)動(dòng)分為硬件相關(guān)層PDD(Platform Dependent Driver)和硬件無關(guān)層MDD（Model Device Driver）。 PDD 層是和硬件平臺(tái)相關(guān)的代碼，根據(jù)具體硬件模塊的功能和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)功能。MDD層實(shí)現(xiàn)的是和平臺(tái)無關(guān)的功能，具有可復(fù)用特性，MDD 層主要負(fù)責(zé)邏輯處理這一部分，硬件功能則通過調(diào)用PDD 層中的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)本章將水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分為三個(gè)部分：硬件模塊驅(qū)動(dòng)、RF 通信協(xié)議、應(yīng)用邏輯控制。 其中硬件模塊驅(qū)動(dòng)屬于PDD 層，為上層提供硬件模塊的基礎(chǔ)功能。 RF 通信協(xié)議和應(yīng)用邏輯屬于MDD 層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)軟件控制邏輯和通信協(xié)議接口。圖3 為水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分層框架。

圖3 水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分層框架

3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

硬件模塊驅(qū)動(dòng)屬于嵌入式軟件結(jié)構(gòu)中的PDD 層， 任務(wù)是根據(jù)具體硬件模塊功能，編寫驅(qū)動(dòng)軟件，為MDD 層提供功能函數(shù)調(diào)用接口。硬件模塊驅(qū)動(dòng)部分包括RF 模塊驅(qū)動(dòng)，低頻喚醒模塊模塊，水泵保護(hù)模塊驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動(dòng)等。

3.3 保護(hù)板-閱讀器通信協(xié)議設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

水泵RFID 保護(hù)板將水泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種事件信息（例如溫度，過流大小，水壓大小等等信息）以固定的幀格式保存至EEPROM數(shù)據(jù)芯片， 為水泵的管理與故障診斷提供依據(jù)。 除事件記錄之外，EEPROM 數(shù)據(jù)芯片中也存儲(chǔ)有當(dāng)前水泵的序列號(hào)、 水泵工作時(shí)間、水泵使用時(shí)間等等信息。EEPROM 中存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)可為水泵故障診斷和生命周期管理，安全防盜提供重要的判斷依據(jù)。 EEPROM 中存儲(chǔ)的事件記錄幀結(jié)構(gòu)包括一個(gè)字節(jié)的編號(hào)，八個(gè)字節(jié)的時(shí)間信息，一個(gè)字節(jié)的事件類型，以及事件發(fā)生時(shí)的電壓(mV)、電流(mA)、電量(mAH)數(shù)據(jù)，最后是一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。保護(hù)板-閱讀器采用如表1 所示的命令幀結(jié)構(gòu)，主要包括通信地址、操作命令以及數(shù)據(jù)等部分。 在通信過程中，雙方將檢測協(xié)議棧中目的地址是否與自身匹配，如果不匹配則作丟棄處理。 幀檢驗(yàn)采用逐字節(jié)異或校驗(yàn)方式來確保數(shù)據(jù)正確性。 表2 列出了協(xié)議支持的操作命令。

表1 閱讀器保護(hù)板協(xié)議幀格式

表2 協(xié)議命令類型及說明

4 RFPMS 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

將RFPMS 系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為三大部分，偵聽軟件、數(shù)據(jù)庫以及監(jiān)測軟件。 數(shù)據(jù)交換軟件和監(jiān)控軟件這兩部分通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，偵聽軟件部分負(fù)責(zé)服務(wù)器與閱讀器之間的通信，監(jiān)聽指定端口是否有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，若有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，則將數(shù)據(jù)按照預(yù)定格式進(jìn)行解析，然后存放到數(shù)據(jù)庫中；監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)并且提供友好的人機(jī)界面供管理水泵人員實(shí)施查看或者控制水泵狀態(tài)。

4.1 監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

在監(jiān)測軟件的設(shè)計(jì)上，為了實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”的特點(diǎn)，故采用了分層開發(fā)的思想，將監(jiān)測軟件分為三層，通常意義上的三層架構(gòu)就是將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。 監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 心跳包與應(yīng)答機(jī)制

閱讀器和服務(wù)器進(jìn)行通信過程中， 如果長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)通信，那么有可能閱讀器已經(jīng)和服務(wù)器端斷開了鏈接，這是由于通信服務(wù)商提供的服務(wù)的限制問題造成的。

4.3 偵聽軟件設(shè)計(jì)

偵聽軟件是服務(wù)器端軟件與閱讀器模塊之間的通信媒介，我們將偵聽軟件劃分為四個(gè)功能，采用多線程的方式，每一個(gè)功能都在單獨(dú)的線程中完成， 當(dāng)一個(gè)線程必須等待的時(shí)候，CPU 可以運(yùn)行其它的線程而不是等待，大大提高了程序的工作效率。

5 結(jié)果

本系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)查詢功能，如圖，選擇2014 年3 月4 日，點(diǎn)擊查詢，這個(gè)天的所有狀態(tài)都被顯示出來，這是因?yàn)槊總€(gè)時(shí)間點(diǎn)的水泵狀態(tài)都會(huì)被偵聽軟件存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，所以當(dāng)監(jiān)控軟件需要查看歷史狀態(tài)時(shí)，只需讀取數(shù)據(jù)庫即可，如圖5。 監(jiān)視界面提供了對每一臺(tái)水泵的電流、電壓、水位和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。 可實(shí)現(xiàn)電壓、電流、溫度等。 參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史趨勢曲線顯示， 對某一時(shí)刻的參數(shù)變化進(jìn)行查詢，如圖6 所示，當(dāng)選擇監(jiān)測的變量為電壓時(shí)，點(diǎn)擊查詢時(shí)命令由軟件發(fā)出存入數(shù)據(jù)庫，由偵聽軟件讀取該下發(fā)命令進(jìn)行一定組幀后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給閱讀器。 閱讀器內(nèi)部傳輸由RFID 模塊轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)水泵控制板，各個(gè)水泵控制板再將當(dāng)前電壓狀態(tài)發(fā)送上來，經(jīng)過一定的傳輸和解析后發(fā)送給服務(wù)器，監(jiān)測軟件再讀取數(shù)據(jù)庫，即可獲知當(dāng)前電壓狀態(tài)。再將電壓值進(jìn)行描點(diǎn)繪圖，于是在界面上就會(huì)出現(xiàn)電壓的曲線圖了。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

圖6 狀態(tài)監(jiān)測界面

6 總結(jié)與展望

本文所設(shè)計(jì)的RFPMS 系統(tǒng)從功能上主要包括三個(gè)方面。

（1）水泵的狀態(tài)采集，通過控制板上的多個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集水泵的狀態(tài)信息， 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)中的RFID 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泵控制板的無線訪問

（2）是水泵的狀態(tài)監(jiān)視，將采集到的數(shù)據(jù)由閱讀器通過Internet 模塊傳輸至服務(wù)器端供檢測軟件使用。

（3）是水泵的狀態(tài)控制，通過服務(wù)器端的監(jiān)測軟件我們可以方便對水泵的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水泵的狀態(tài)存在異常時(shí)，可以直接通過監(jiān)測軟件發(fā)送命令至水泵控制板以達(dá)到控制水泵狀態(tài)的目的。

在下一階段中可采用ZigBee 技術(shù)， 將水泵集群進(jìn)行自組網(wǎng)，使得水泵節(jié)點(diǎn)相互之間傳輸數(shù)據(jù)，便于維護(hù)和擴(kuò)容，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?監(jiān)測軟件目前只能提供數(shù)據(jù)的查詢顯示和控制，對于一些用戶難以發(fā)現(xiàn)的潛在問題，并不能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行提醒，在以后的工作中，可以使用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法對于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推測出可能出現(xiàn)的問題，從而提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

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