楊志 林川 唐向紅

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的液體液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要直接接觸被測(cè)液體，或者需要通過(guò)相關(guān)射線進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，基于STM32處理器、非接觸式液位傳感器、Wi-Fi模塊、A9嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱及手機(jī)終端等，設(shè)計(jì)了一個(gè)液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，用作智能輸液報(bào)警器，而且通過(guò)無(wú)線通信模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，液體液面的監(jiān)測(cè)和報(bào)警變得方便快捷。

關(guān)鍵詞：液體液面監(jiān)測(cè);STM32處理器;非接觸式液位傳感器;Wi-Fi模塊;液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP212.9;TP29;TP368.1;TP399;TH789

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

在現(xiàn)實(shí)的液面監(jiān)測(cè)監(jiān)控中，某些領(lǐng)域的液面監(jiān)測(cè)工作尤為重要。例如：醫(yī)療領(lǐng)域，不當(dāng)?shù)妮斠阂好姹O(jiān)測(cè)可能造成空氣栓塞，進(jìn)而危害生命[1-2];工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存容器的液面變更情況，可能會(huì)導(dǎo)致有害液體泄露，造成嚴(yán)重的安全事故[3-4];江河防汛領(lǐng)域，及時(shí)發(fā)布水位變化信息，便于防汛防洪工作的預(yù)防和開(kāi)展[5-7]。

目前，液面監(jiān)測(cè)主要有基于差壓式液位測(cè)量、基于超聲波法測(cè)量、基于光纖液位測(cè)量、基于激光液位測(cè)量，以及基于雷達(dá)波法液位測(cè)量等監(jiān)測(cè)方法[8-13]。然而，這些測(cè)量方法需要直接接觸被測(cè)液體，或者需要通過(guò)相關(guān)射線來(lái)進(jìn)行液面監(jiān)測(cè)。這樣，在一些特殊場(chǎng)景（如輸液時(shí)）很可能會(huì)污染被測(cè)液體，不僅缺乏安全性，而且不具備通用性。

在生產(chǎn)生活中，由于液體位置控制不當(dāng)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的液面監(jiān)測(cè)工作主要由人工完成，其數(shù)據(jù)計(jì)算及整理等工作不僅繁瑣，且存在誤差大、自動(dòng)化程度低、效率低下等弊端。顯然，能夠安全有效地對(duì)危險(xiǎn)液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是必要的。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與各行各業(yè)的深度融合，數(shù)字化、智能化、安全化的液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)監(jiān)管平臺(tái)[3-4，6-7]已經(jīng)成為了一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

因此，本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測(cè)”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）技術(shù)，采用新型電容感應(yīng)式液位測(cè)量[14]的方法，設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)日常生活中具有安全性要求的相關(guān)液體液面的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分為硬件端和軟件端兩個(gè)部分。硬件端以STM32處理器[15]作為控制中心，保障非接觸式液位傳感器模塊[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊、復(fù)位模塊等系統(tǒng)模塊的正常運(yùn)行;軟件端由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App、A9嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱終端App（以下簡(jiǎn)稱“A9實(shí)驗(yàn)箱終端App”）這4個(gè)部分組成。

液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的原理是通過(guò)非接觸式耦合電容液位傳感器[14]監(jiān)測(cè)液體液面信息。監(jiān)測(cè)的液面信息實(shí)時(shí)發(fā)送給STM32處理器，當(dāng)被測(cè)液體的液面低于液位傳感器的最低檢測(cè)位置時(shí)，STM32處理器發(fā)出中斷指令，將液面信息由Wi-Fi模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器程序，用戶可以通過(guò)安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App及時(shí)接收液面報(bào)警信息并實(shí)時(shí)反饋給相關(guān)人員。液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的硬件端主要由STM32處理器[15]、2個(gè)非接觸式液位傳感器[14]、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶顯示屏模塊及復(fù)位按鍵模塊構(gòu)成，如圖2所示。

2.1 STM32處理器

本系統(tǒng)的硬件模塊的控制核心是STM32F103RCT6微控制單元[15]，開(kāi)發(fā)板型號(hào)為ALIENTEK MiniSTM32 V3.0單片機(jī)處理器[15]，簡(jiǎn)稱STM32處理器。開(kāi)發(fā)板資源圖如圖3所示。

系統(tǒng)使用的開(kāi)發(fā)板的資源及其功能如下所述：

RESET按鍵：其連接復(fù)位電路，以便在必要時(shí)對(duì)STM32處理器進(jìn)行復(fù)位;

PA2和PA3：信號(hào)發(fā)送和接收串口，與Wi-Fi模塊的RXD和TXD分別連接，實(shí)現(xiàn)串口通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;

PC11：連接液位傳感器1的輸出端口，接收傳感器1監(jiān)測(cè)的液體液面信息，同時(shí)將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器;

PC12：連接液位傳感器2的輸出端口，接收傳感器2監(jiān)測(cè)的液體液面信息，同時(shí)將液面信息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32處理器;

GND：接地;

VCC：接5 V電源;

VOUT1 & VOUT2：提供3.3 V和5 V電源，為Wi-Fi模塊和液位傳感器供電;

USB_232接口：實(shí)現(xiàn)串口下載代碼、供電、串口通信3位一體的功能;

OLED & LCD共用接口：接入TFT-LCD液晶顯示屏。

在考慮系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體性能、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等要求的前提下，將STM32處理器與C51單片機(jī)詳細(xì)比較后，選擇STM32處理器作為本次設(shè)計(jì)的硬件模塊的控制中心。

2.2 非接觸式耦合電容液位傳感器

本系統(tǒng)共使用2個(gè)XKC-Y26-V非接觸式耦合電容液位傳感器[14]。在本系統(tǒng)中使用的液位傳感器的接口及其功能如下：

非接觸式耦合電容液位傳感器1：VCC接5 V電源，GND接地，M接5 V電源，設(shè)置傳感器的工作模式為高電平信號(hào)輸出;OUT接STM32處理器的PC11引腳，完成將液面監(jiān)測(cè)信息以脈沖形式發(fā)送給處理器的功能。

非接觸式耦合電容液位傳感器2：VCC接5 V電源，GND接地，M接5 V電源，設(shè)置傳感器的工作模式為高電平信號(hào)輸出;OUT接STM32處理器的PC12引腳，完成將液面監(jiān)測(cè)信息以脈沖形式發(fā)送給處理器的功能。

2.3 Wi-Fi模塊

本系統(tǒng)采用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊作為STM32處理器程序與云端服務(wù)器程序之間的數(shù)據(jù)傳輸芯片，其外圍接口如圖4所示。

系統(tǒng)中使用的Wi-Fi模塊的接口及其功能如下：

GND：接地;

VCC：接3.3 V電源，對(duì)Wi-Fi模塊進(jìn)行供電;

TXD：連接STM32處理器的PA3引腳，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便數(shù)據(jù)傳輸;

RXD：連接STM32處理器的PA2引腳，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與處理器之間的串口通信，方便接收數(shù)據(jù)。

2.4 液晶顯示屏模塊

本系統(tǒng)使用2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏作為硬件端的顯示界面。

2.5 復(fù)位按鍵

本系統(tǒng)使用STM32處理器的RESET按鍵，其連接單片機(jī)的復(fù)位電路，以便在必要的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行重置和復(fù)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件端主要由STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App和A9實(shí)驗(yàn)箱終端App構(gòu)成。液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件端的程序框架如圖5所示。

3.1 STM32處理器程序

運(yùn)行于STM32處理器上的主控程序即為液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件端的控制程序。該主控程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、硬件端的顯示界面、液位傳感器等多個(gè)模塊的控制及數(shù)據(jù)分析處理。

3.2 云端服務(wù)器程序

云端服務(wù)器程序的關(guān)鍵代碼包含：接收Wi-Fi模塊Socket請(qǐng)求的線程代碼;接收安卓手機(jī)終端App相應(yīng)端口的Socket請(qǐng)求的線程代碼;接收A9實(shí)驗(yàn)箱終端App相應(yīng)端口的Socket請(qǐng)求的線程代碼;云服務(wù)器程序接收并處理STM32處理器程序發(fā)來(lái)的液面監(jiān)測(cè)信息的線程代碼;云端服務(wù)器程序?qū)⑻幚砗蟮囊好姹O(jiān)測(cè)信息存入消息鏈表的線程代碼;云端服務(wù)器程序?qū)⒁好姹O(jiān)測(cè)信息分發(fā)給安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App的線程代碼。

3.3 終端App程序

安卓手機(jī)終端App和A9實(shí)驗(yàn)箱終端App為客戶端接收、分析和處理液體液面信息的主控程序，同時(shí)這兩個(gè)終端App還實(shí)現(xiàn)了顯示液面報(bào)警信息的功能。

4 系統(tǒng)集成與測(cè)試

4.1 系統(tǒng)軟硬件集成

系統(tǒng)硬件模塊的集成情況：STM32處理器、XKC-Y26-V液位傳感器1、XKC-Y26-V液位傳感器2、ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊、2.8寸TFT-LCD液晶顯示屏、復(fù)位按鍵電路均已集成到系統(tǒng)中。

系統(tǒng)軟件程序的集成情況：STM32處理器程序、云端服務(wù)器程序、安卓手機(jī)終端App、A9實(shí)驗(yàn)箱終端App均已集成到系統(tǒng)中。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試以液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域輸液報(bào)警方面的應(yīng)用為例展開(kāi)，測(cè)試情況如下：

1）對(duì)下載好STM32處理器程序的開(kāi)發(fā)板供電，處理器的電源指示燈亮并加載相關(guān)配置文件;液晶顯示屏顯示相關(guān)配置文件并正常啟動(dòng)，表示處理器及液晶顯示屏處于正常的工作狀態(tài)。

2）液位傳感器正常工作，如圖6所示。對(duì)2個(gè)非接觸式耦合電容液位傳感器供電后，液位傳感器的紅色指示燈發(fā)亮，表示液位傳感器正在監(jiān)測(cè)液體液面信息。

3）液位傳感器和Wi-Fi模塊正常傳輸液體液面信息，如圖7所示。當(dāng)液體液面低于液位傳感器的最低檢測(cè)位置時(shí)，液位傳感器的紅色指示燈熄滅，處理器的紅色指示燈熄滅，顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)欄顯示“1，1”或“1，2” ，將液面監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)地發(fā)送給云端服務(wù)器程序。其中，“1，1”代表液位傳感器1的液面監(jiān)測(cè)信息，“1，2”代表液位傳感器2的液面監(jiān)測(cè)信息。

4）安卓手機(jī)終端App正常工作，如圖8所示。當(dāng)安卓手機(jī)終端App收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時(shí)，手機(jī)震動(dòng)且屏幕上的紅色文本顯示液位傳感器1監(jiān)測(cè)的液體液面信息，即“1號(hào)病房1號(hào)床位輸液完畢！請(qǐng)進(jìn)行換液！”，表示安卓手機(jī)終端App正常接收液面報(bào)警信息并顯示提示信息。

5）A9實(shí)驗(yàn)箱終端App正常工作，與安卓手機(jī)終端App正常工作一致。當(dāng)A9實(shí)驗(yàn)箱終端App接收到云端服務(wù)器程序分發(fā)的液面信息時(shí)，屏幕上紅色文本顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)（1號(hào)病房1號(hào)床位）的液位信息，即“1號(hào)病房1號(hào)床位輸液完畢！請(qǐng)進(jìn)行換液！”。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于“互聯(lián)網(wǎng)+安全監(jiān)測(cè)”的理念，引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)液面監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了其在醫(yī)療領(lǐng)域的初步拓展應(yīng)用。該系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，運(yùn)行較為穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)（可以接入多個(gè)液位傳感器）。此外，該系統(tǒng)可以針對(duì)液體液面進(jìn)行較為準(zhǔn)確的非接觸式監(jiān)測(cè)，以及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和處理，在一定程度上解決實(shí)際生活中部分場(chǎng)景下具有安全性和時(shí)間性要求的液體液面監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李佳穎. 一種新型防止回血輸液器研制與應(yīng)用[J]. 齊魯護(hù)理雜志， 2015（21）： 23-33.

[2] 孟圣亞， 魏威， 楊金利， 等. 無(wú)人陪護(hù)輸液報(bào)警裝置設(shè)計(jì)[J]. 科技與創(chuàng)新， 2019（19）： 71-73， 75.

[3] 陳松林. 煤礦供水傳輸泵站監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D]. 西安： 西安科技大學(xué)， 2020.

[4] 張乃祿， 任武昆， 李軍， 等. 鉆完井試油液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2020（10）： 73-77.

[5] 郭豐田， 文朝輝， 郭聞鶴. 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在防汛中的應(yīng)用[J]. 水利科學(xué)與寒區(qū)工程， 2020， 3（2）： 123-125.

[6] HASSAN H， MAZLAN M I Q， IBRAHIM T N T， et al. IOT system： water level monitoring for flood management[C]//IOP Conference Series： Materials Science and Engineering. Bristol， UK： IOP Publishing， 2020： 1-9.

[7] 劉宇. 地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息管理集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2015.

[8] 葛君山. 液位檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 船電技術(shù)， 2013， 33（2）： 43-45.

[9] 陳湘萍. 蒸發(fā)器液位的非接觸式測(cè)量[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009， 26（4）： 69-71.

[10]孫英， 靳輝， 鄭奕， 等. 磁致伸縮液位傳感器檢測(cè)信號(hào)影響因素分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2015， 28（11）： 1607-1613.

[11]KISELEVA L L， TEVELEV L V， SHAIMUKHAMETOV R R. Non-contact optical liquid level sensors[C]//IOP Conference Series： Materials Science and Engineering. Bristol， UK： IOP Publishing， 2016， 134： 1-3.

[12]何希才. 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[13]曹建平. 智能化儀器原理及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2012.

[14]深圳市星科創(chuàng)科技有限公司. 一種非接觸式液位傳感器及液位檢測(cè)方法： 105806444[P]. 2016-07-27.

[15]ZHANG C， QIU Y F， RUAN F M， et al. Automatic control process analysis of gas pressure in electrostatic discharge measurement system[C]//2015 7th Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics（CEEM）. New Jersey， USA： IEEE， 2015： 202-205.

（責(zé)任編輯：周曉南）

Design and Application of Automatic Alarm System

for Liquid Level Monitoring

YANG Zhi， LIN Chuan*， TANG Xianghong

（College of Computer Science & Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

Aiming at the problem that current monitoring systems require either a direct contact with the liquid or certain types of rays to detect the liquid level for early warning， this paper proposes an automatic liquid level alarm system based on STM32 processor， non-contact liquid level sensor， Wi-Fi module， A9 embedded development experimental box and mobile phone terminal. Experiments show this system has advantages of timely responsiveness and extensibility. For medical use， it can server as a smart infusion alarm. Particularly， the system can access the internet via a Wi-Fi module， which implements an easy way for automatic liquid level monitoring and alarming.

Key words：

liquid level monitoring; STM32 processor; non-contact liquid level sensor; Wi-Fi module; automatic alarm system for liquid level monitoring