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缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究

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'硕士学位论文缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究学科专业电路与系统(职教)学位类型□√科学学位□专业学位研究生姓名宋涛导师姓名汪鲁才论文编号S1503568湖南师范大学学位评定委员会办公室二〇一五年十一月 分类号04密级不保密学校代码10542学号201218920122缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究Researchoncontrolsystemofunmannedremoteruraldrinkingwaterengineeringwatershortagearea研究生姓名宋涛指导教师姓名、职称汪鲁才教授学科专业电路与系统研究方向应用电子技术湖南师范大学学位评定委员会办公室二〇一五年十一月 湖南师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体邑经发表或撰写过的作品成果。对本文的^研究做出重要贡献的个人和集体1。,均己在文中乂明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名'么:70/J年月/占日湖南师范大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,研究生在校玫读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查飼和借阅。本人授权湖南师范大学可W将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可W采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇編本学位论文。本学位论文属于1□、保密,在年解密后适用本授权书。2囚/、不保密"”(请在W上相应方框内打V)/之/>作者签名:日期:义/|^日來诗?X年月<导师签名:日期:年/^月日^/ 摘要我国幅员辽阔、南北气候环境有着非常明显的差异,由此造成全国各地的水资源分布极不均衡。由于近年来经济发展迅速,工农业生产生活用水量持续增长,气候环境也在不断变化,造成我国北方特别是农村地区经常发生干旱缺水问题。各级政府投入大量资金寻找可以饮用的水源解决村民饮水问题,建设了各种实现远距离调水的蓄水供水管道工程。但由于一些地区水源地和村庄距离非常远,村庄分布较散,又不可能派专人值守,经常出现村庄蓄水池无水或溢水等问题,给管理带来困难。为了解决这个问题开发一种实现缺水地区无人值守远距离引水的无线智能控制系统成为当地一个非常迫切的需求。论文首先对北方某地(河北张家口市阳原县)的农村供水现状进行了调查,介绍了该地区农村饮用水供应中存在的控制问题,研究了当地目前供水系统管理中存在的问题,提出了相应的合理解决方法。然后详细介绍了解决方案的系统硬件组成及原理,设计了用水地区水位控制方案和水源地水泵控制方案,进行了控制系统软件的设计,给出了相关软件通讯协议。改造抽水电机控制线路,设计了水位检测电路,选用STM32单片机模块和GSM移动通信模块实现信息的处理及远距离无线传输和控制,实现水源地抽水机运行状态的控制及管理员手机短信监控系统工作状态等实用功能。最后在该地区选择一个村镇进行系统工作稳定性、可靠性的测试,检验本系统的实际运行效果。经过一段时间的实际运行表明,采用本控制系统可以有效解决缺水地区引水工程的节能节水和管理问题。关键词:无人值守,引水工程,控制系统,GSM模块I AbstractChinahasavastterritory,andthereareevidentdistinctionsintheclimaticenvironmentinthesouthandnorth,whichhasresultedinextremelyunbalancedwaterresourcedistributionacrossthecountry.Inrecentyears,duetotherapideconomicdevelopment,sustainableincreaseofindustrialandagriculturalproductionandlivingwater,andconstantchangesinclimaticenvironment,NorthernChina,especiallyruralareas,usuallyrunsintotheproblemofdroughtandwatershortage.Governmentsofalllevelshaveinputsubstantialfundinlookingfordrinkablewatersourcetosolvethedrinkingwaterproblem,andconstructedallkindsofwaterstorageandwatersupplypipelineprojectsforrealizingtheremotewatertransfer.However,somevillagesarequitefarfromsomewatersourcesandscattered,anditisimpossibletosendpeopletowatchover.Consequently,thereareusuallyproblemsofemptyoroverflowingreservoirsinvillages,makingitsodifficultformanagement.Inordertosolvethisproblem,thedevelopmentofanintelligentwirelesscontrolsystemthatcanrealizetheremoteunattendedwaterdiversionforwater-deficientareasturnstobeanurgentdemand.Thispaperfirstlyinvestigatestheruralwatersupplystatusinacertainplace(YangyuanCounty,Zhangjiakou,Hebei)innorthChina,introducesthecontrolprobleminthesupplyofdrinkingwater,studiestheproblemsinthemanagementofpresentlocalwatersupplysystem,andproposescorrespondingpropersolutions.Secondly,itintroducesthesystemhardwarestructureandprinciplesofthesolutionindetail,designsthewaterlevelcontrolplanandwaterpumpcontrolofthewatersource,conductsthedesignofcontrolsystemsoftware,andoffersrelatedsoftwarecommunicationprotocol.Besides,italsotransformsthecontrolwiringofthepumpmotor,designsthewaterleveldetectioncircuit,selectsSTM32SCMmoduleandGSMmobilecommunicationmodelforrealizingsomepracticalII functions,forinstance,theinformationprocessing,remotewirelesstransmissionandcontrol,thecontrolofpumperoperatingstateandmonitoringofsystemoperatingstatewithshortmessageservice,etc.Finally,avillageisselectedforthetestofsystemoperatingstabilityandreliability,soastocheckthepracticaloperatingeffectofthesystem.Afteraperiodofactualrunning,itindicatesthatthecontrolsystemcansolvetheenergy-saving,water-savingandmanagementproblemefficientlyinwaterdiversionprojectsforwater-deficientareas.KeyWords:Unattended,Waterdiversionproject,Controlsystem,TheGSMmoduleIII 目录摘要................................................IAbstract...............................................II第一章绪论........................................11.1课题研究的背景和意义................................11.2国内外研究现状综述.................................21.2.1国外研究现状...................................21.2.2国内研究现状..................................31.3无线远程控制技术研究应用现状........................41.4GSM网络及其控制技术研究应用现状....................51.5GSM通讯模块及其应用................................51.6本文主要研究内容...................................6第二章无人值守远距离饮水工程控制系统硬件设计及实现......72.1控制系统的功能要求.................................72.2控制系统的硬件设计.................................72.2.1控制系统的硬件结构框图..........................72.2.2抽水水泵控制系统设计............................82.2.3用水地区水位探测装置设计........................102.2.4用水地区控制参数通讯模块硬件设计................11IV 2.2.5水源地水泵控制参数通讯模块硬件设计.............192.3本章小结..........................................21第三章无人值守远距离饮水工程控制系统软件设计及实现.....223.1控制系统的控制策略设计.............................223.2GSM移动通信系统组成及特点.........................233.3SMS通讯协议.......................................253.3.1SMS的概念及特点...............................253.3.2SMS管理协议简介..............................253.3.3SMS短信基本通信协议简介........................263.3.4SMS业务的优点和局限性.........................273.4水源地、用水地和监控手机的通讯实现.................273.4.1AT指令简介...................................283.4.2STM32的底层配置...............................283.4.3无线通信模块短信功能的调试.....................303.5系统程序设计.......................................333.5.1嵌入式μC/OS-II实时操作系统简介...............333.5.2无人值守远距离饮水工程控制系统程序设计.........343.6本章小结..........................................36第四章无人值守远距离饮水工程控制系统的调试............37V 4.1仿真模型调试......................................374.1.1仿真调试环境...................................374.1.2仿真调试.......................................384.2现场调试..........................................434.2.1现场调试前准备工作.............................434.2.2现场调试过程及软硬件参数调整...................444.3本章小结..........................................46结论..................................................47参考文献...............................................48附录A..................................................52附录B..................................................53附录C..................................................59致谢...................................................60VI 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究第一章绪论1.1课题研究的背景和意义水为生命之源,水资源是保持生态系统的功能和支撑社会经济体系的发展不可替代的资源,由于工农业生产的污染、气候环境的变化和用水过程的浪费,在全球范围内都出现了水资源危机,而且呈现日益严重的趋势。全球水资源的总量123123约为1.386×10m,其中有1.338×10m为海洋中的海水,约占96.5%,属于103难以直接利用的水资源,地表水约占1.78%,为2.467×10m,地下水约占1.69%,103为2.342×10m。地球上的淡水资源大部分是以冰山、冰川和地下水的形式存在,其余存在于江河、湖泊和大气中,按照目前的技术水平,人类所能利用的淡103水资源约为3.5×10m,占全球水资源总量2.53%。在对淡水资源的利用中,农业用水最多,约占70%,工业用水大概为20%,居民生活用水约占10%。我国幅员辽阔、南北气候环境有着非常明显的差异,由此造成全国各地的水资源分布极不均衡。由于近年来经济发展迅速,工农业生产生活用水量持续增长,气候环境也在不断变化,造成我国北方特别是农村地区经常发生干旱缺水问题。我国淡水资源的总量并不少,约有2.8万亿立方米,排在巴西、俄罗斯、美国、印尼和加拿大之后,列世界第六位,但人均拥有量只有世界平均值的1/4,名列[21]第121位,属于世界上人均水资源最贫乏的13个国家之一。如果不算那些难以利用的水资源(洪水、偏远地区的自下水),在我国实际能利用的人均水资源只有不到900立方米,而且呈现南多北少分布极不均衡的特点。据统计,早在上个世纪末,全国670多个大中城市中,出现供水不足的城市有四百多个,其中属于严重供水不足的有一百多个,包括北京、天津、上海等超大城市。农村的问题就更严重了。目前,全国农村有八千万人口存在不同程度的饮水困难,有3/5的耕地由于缺水而导致减产。同时,由于人口的不断增加和农村城镇化、工业化的[1]推进,大量的水资源向非农产业转移,农村地区将产生更大的用水缺口。在我国大部分农村地区,由于农业现代化水平还不高、环境保护意识也不强,造成农业用水浪费严重、效率低下、污染严重。比如,用水量最大的农业灌溉用水,一般都是采用传统的地面灌溉方式,水资源的利用率很低;化肥的大量使用,生活污水的随意排放,乡镇企业中工业废水的偷排,严重影响了地表水甚至浅层[2-3]地下水的水质。本项目中出现的深井水污染就是非常典型的案例。同时,我国的水资源分布呈现南多北少的格局。长江以南地区水资源丰富,占全国水资源总量的4/5,而北方大部分地区干旱少雨。如本项目所在地张家口1 中职教师在职硕士学位论文市阳原县曲长城村,位于著名的桑干河流域,桑干河流经该村的河段自1997年以来基本上处于常年干涸状态。这种现象在我国北方地区非常普遍,产生的原因是多方面的,主要是上游修建水库、周围植被破坏、过量开采地下水等。曲长城村是河北省张家口市阳原县揣骨疃镇一个人口多达3000人左右的大村,据《张家口环境信息网》的报道:“阳原县曲长城村原来的自来水甘甜可口,在几个月前忽然变的又咸又涩,即使使用过滤器进行过滤,也没有多大的效果,还有不少人身上起小红疙瘩,也有可能是饮用这种水引起的”。据曲长城村党支部书记马润军和村民苏宜楼等人介绍,目前全村3000多人均饮用采自地下深机井的自来水,该深机井和相应的输水管理是1999年由村民集资建设的,在2010年有村民向村里反应,自来水有异味,怀疑水质受到污染,当时村委会就立即派人取了水样送到河北省水环境监测中心张家口分中心进行化验,结果显示并无异常;2011年8月下旬,又有村民反映饮用水口感较苦涩,而且目测偏黄,喝了水以后,感觉肚胀,就连村里的豆腐坊,用这种水做豆腐,用这些水浇地,浇完的地有泛黄的现象,村里再次取水样,在9月16日送河北省水环境监测中心张家口分中心进行化验,结果显示水质总硬度、硫酸盐、氯化物和溶解性总固体等指标均不同程度超标。据后续报道,该村村委会在邀请相关专家进行实地考察后,决定异地重新打井,改造原有管线。11月初,在新址重新打的深水井开始投入使用。但由于新机井位于远离工矿企业和养殖场的偏僻地区,和村庄距离非常远,大约5公里,又不可能派专人值守,经常出现村庄蓄水池无水或溢水等问题,给管理带来困难。据了解在周边村庄也存在类似问题。为解决在这一问题,需要开发一种无人值守远距离引水的无线智能控制系统。实现通过GSM网络远距离传输控制信号和实时数据,实时采集蓄水池的水位信息,控制机井的抽水和停水,从而实现饮用水的可靠供给。同时系统需要预设多个管理员,管理员可以采用手机短信的方式随时了解系统的工作状态和蓄水池的水位信息。1.2国内外研究现状综述1.2.1国外研究现状自上世纪六七十年代开始,国外就有了关于供水系统自动控制系统的相关研究与应用,特别自上世纪80年代以来,微电子技术、现代传感技术、无线控制技术等现代科技开始高速发展,使得供水系统中的自动监控设备和仪表的相关技术也得到了很大的提升。欧美发达国家的大部分供水企业都已在供水系统中普遍[4]使用自动控制系统,可以对生产过程实行全程的自动控制。2 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究1989年,美国密歇根州大学水资源系率先将空间信息技术和有限元算法结合在一起,研发了密歇根州内陆水资源环境管理系统,建立了密歇根州水资源数据库,为该州的水资源管理者提供决策信息。同年4月,美国CharlesJ.NewllLorenP.Hopkins和PhilipB.Bedient通过对美国地下水的调查数据,建立了美国地下水水文地质数据库,这成为了地下水模拟决策支持系统OASIS的一个组成部分。以色列作的现代农业技术非常发达,为一个严重缺水的国家,他们非常重视水资源的利用效率,全国建有长达400多公里的输水管道,并实现了全程的计算机远程控制和管理,成为世界上缺水干旱地区节水控制的典范。日本的农业现代化水平也很高,同样也非常重视水资源的利用,80年代初期,灌区在新建或改建的时候,供水管路中都安装大量的遥测、遥控设备,其农业灌溉用水由统一的管理中心来进行控制。澳大利亚为农业灌溉用水专门研发了一套APSIM管理系统,此系统可以通过一些相互独立又能相互通信的模块来实现对水资源的管理。上述高度自动化运行的供水系统,需要大量资金和技术的投入。欧美发达国家人工成本较高,相对来说仪表设备费用反而便宜,加上设备质量好、可靠性高,采用高度自动化的控制系统,更加有利于供水企业取得较好的经济效益。据了解,目前欧美国家的供水企业一般采用集散式控制系统对自来水的生产和供应的全过程进行自动监控,在系统中的各个生产或供应环节的自控制系统是相互独立的,这样有利于提高系统的可靠性,又有针对整个系统的监控和管理系统来保证系统运行与调度的统一性和灵活性。1.2.2国内研究现状经过多年的建设和发展,目前我国城镇供水管网已基本建成,在不少地区的农村也已建起了小型的供水系统。据统计,全国有一半以上的人口能够得到自来水的供应。很多经济发达地区,供水设施已经开始从数量保障向质量提升转变。这就需要加快加大对供水控制设备与技术的研究。从80年代中后期以来,我国引进国外的资金与先进技术建设了一批大型的供水企业,提升了这些供水企业的自动化控制水平。随着国家连续多年投入专项资金,用于水处理技术、供水控制技术的研究,大量符合我国实际情况的供水自动化技术不断被研制成功。不过,这些技术大都适用于城镇的大中型供水控制系统,真正用于农村小型供水系统的设备还比较少。另外,由于我国各地的经济发展水平的不同,即使同样的农村小型供水系统,也有着截然不同的控制需求。比如,在南方地区的农村水源不是问题,主要是需要实现恒压供水的自动控制,而在北方地区基本上都是抽取地下水,主要还是采取蓄水池供水,不过无线远程控制技术在各地都有很高的需求。3 中职教师在职硕士学位论文1.3无线远程控制技术研究应用现状自上世纪中期以来,自动控制技术和理论在科学技术与工业生产的发展过程发挥了巨大的作用,也取得了很好的效果,成为现代高新技术中的重要手段之一。控制领域中的一种重要技术就是远程控制技术。远程控制技术主要分为:无线和有线两种模式。在早期,远程控制主要是使用无线电或电话线,主要是由于它们的建设周期短,线路维护费用便宜。不过使用无线电或电话线进行远程控制,适合控制系统规模小,控制对象单一,控制环境简单,接口统一的场合,不适应现代控制系统拓扑结构分散化的需求。计算机网络远程控制系统的出现解决了这[5-8]一难题,而且随着技术的发展它的控制功能越来越强大。基于计算机网络系统的远程控制系统,也有无线和有线两大类。其融合了自动控制、网络通信、传感技术和编程技术,以计算机为控制中心,集远程监控、[9]信息管理于一体。[10-14]目前,国内外在远程控制方面的应用主要分为以下三类:1.远程监控目标计算机。这是一种主动监控,不仅可以对控制对象进行远程监视,还可以进行远程操作。这种远程监控一般需要通过一些专用软件来实施,如pcAnywhere和VNC等。2.实时监控工作现场。这是一类被动监控系统,大多用于交通、商业或安防等行业。3.采集和监控工作现场的数据。这也是主动监控系统,一般用于需要从工作现场采集数据的各种系统中。早期的计算机网络系统是利用电话线来传输信息的有线网络。有线网络主要有着本质的缺陷:线路容易出现损坏;布线工作量大;站点是不能移动的。这不利于远程控制技术的推广和应用。要实现无线远程控制,首先要建立无线信道,通常无线信道有以下几种:1.数字数据网,数字数据网一种以数字通讯(如数字微波和卫星信道)来传输数据信息的网络,能提供专用的数字数据传输信号通道。能提供包括图像通信、数据电话通讯、数据广播通讯在内的等多种服务,有传输速率快、网络延时短、误码率小、可靠性好等优势。缺陷是需要租用专门的通信线路,费用很高,这个费用不是一般用户所能接受的。2.专用无线电通讯网络。需要在远程终端处建立电台,在控制中心架设一个高增益天线,并向有关管理部门申请一个专用的无线电通讯频道。专用无线电网络可以不受外界控制,可以根据需要来调整通讯半径;缺陷是网络日常维护需要用户自行完成,一次性投资比较大,可靠性得不到保障。3.GSM全球移动通信系统。目前,我国的GSM网络由移动和联通这两家通4 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究信公司建立的移动通信网络,除了一些特别边远的地区,该GSM网络以实现全覆盖,而且信号的盲区和死角也很少,即使个别地区局部的覆盖暂时存在问题,也可以与当地通讯部门通过协调就可解决。使用GSM网络实现远程控制,系统的建设成本低、维护简便、使用费用低,而且控制信息传输速度快、稳定性好、[15]设备功耗小。1.4GSM网络及其控制技术研究应用现状GSM就是全球移动通信系统,属于第二代移动通信技术,与第一代模拟移动通信技术所不同的是它的信令和语音通道都是采用数字式的。它的通信技术标准是由欧洲电信标准组织制定。目前,全球有两百多个国家和地区使用这种移动通信标准,只要用户跟电信营运商签订相关的漫游协定,就可以在全球范围内实[16-20]现付费漫游通信。这种全球移动通信起源于上世纪80年代的欧洲。1982年,在法国成立一个名为GSM的研究小组。最初,该小组由欧洲邮电管理委员会(CEPT)管理。1987年,欧洲邮电管理委员会确定了关于GSM系统的技术规范。1989年,欧洲电信标准化协会从欧洲邮电管理委员会接手GSM研究小组。1990年,该小组发不了第一个关于GSM的技术说明文件。1991年,在芬兰的Radiolinja投入了商业运营。同年,全球首个全球移动通信系统网络在欧洲开始使用。GSM建立一个全球统一的移动通信标准,只要进入这个通信网络在全球任何移动信号覆盖的地区都能进行手机的移动通信。在我国中国移动通信公司推出的“全球通”品牌也是以GSM作为它的英文标识。GSM网络开放的技术标准,生产手机或移动通信设备的企业只要采用开放这种技术保准就能让产品进入移动网络中,共享网络资源。使用这种第二代移动通信技术生产的手机必须插入用于识别用户的SIM卡(客户识别卡),才能正常进行移动通信和接收网络提供的各类增值服务。尽管,目前的移动通信技术已经进入4G时代,在技术标准上也衍生出了时分复用和频分复用等多种不同的标准,但是其核心技术并没改变,仍然采用的数字化技术,无非是采用了不同的工作方式而已,且都属于无线蜂窝制式。从用户使用的角度来说,就是提高了网络传输数据的带宽和速度。1.5GSM通讯模块及其应用GSM通讯模块是一个带有独立的操作系统,具有基带处理能力和GSM射频处理能力,并提供各类标准接口的功能模块,接上相应的电源、键盘和显示频就[21-26]可以组成一部完整的手机。早期,这种通讯模块主要是手机生产企业使用。随着远程控制技术的发展,5 中职教师在职硕士学位论文GSM通信模块的应用范围越来越广。内置开发平台的GSM通信模块可以用于电力、水务、供气、测绘等行业的远程数据采集和监控;车辆、船只、人员的位置[27-39]监控。用户可以根据实际需要选用各种不同功能的通信模块。本项目由于只需要实现水源地、用水地和监控手机之间的短信通信,因此选用了工业级开发板ATK-SIM900A-V15。该模块接口丰富,功能完善,特别适用于需要语音、短信、GPRS数据服务的各种领域。1.6本文主要研究内容本论文以无人值守远距离饮水工程控制系统为研究对象,采用实验室仿真与实地安装调试相结合的方法,主要完成了以下工作:第一章主要介绍课题研究的背景和现实意义,通过查阅大量的文献,介绍了饮水控制系统的国内外研究现状,无线远程控制技术研究应用现状,GSM网络及其应用现状,GSM通信模块及其应用现状和本文的主要研究内容。第二章详细说明了无人值守远距离饮水工程控制系统硬件设计及实现方法,分析了控制系统的功能要求,根据功能要求给出控制系统的硬件结构框图,包括用水地区水位控制设计框图和用水地区控制参数通讯模块硬件设计框图,还有水源地水泵控制设计方法和水源地水泵控制参数及通讯模块硬件设计方法。第三章详细介绍了无人值守远距离饮水工程控制系统软件设计及实现方法,对控制系统的控制策略进行分析,设计了通讯协议,包括水源地与用水地两地的通讯协议和基于AT指令的手机监控协议,并给出了系统程序。第四章介绍了无人值守远距离饮水工程控制系统的调试的相关情况,包括系统调试的环境与条件,系统调试运行的现状,最后对全文的研究内容进行总结,[40-44]并提出有待进一步深入研究的方向。6 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究第二章无人值守远距离饮水工程控制系统硬件设计及实现2.1控制系统的功能要求根据实地考察和当地饮水系统管理员提出的要求,本项目所设计的控制系统应具备以下几个基本功能:1.用水地区的系统能够根据蓄水池的水位高低,向水源地控制系统及管理员发送供水启动或停止的信息。2.水源地控制系统能够根据用水地区系统发送来的供水启动或停止信息,控制供水设备的启动或停止,并能将供水设备的当前工作状态发送给管理员。3.管理员能通过移动终端实时监控用水地区的水位状态和供水地区设备的工作状态,并能在系统工作出现异常时进行干预,实现人工控制。4.要求监控手机、用水地模块、水源地模块三者之间可以通过GSM短信网络实现数据通信。5.系统运行的稳定性和可靠性要高,还要尽可能节约改造成本,以利于在周边农村地区推广使用。2.2控制系统的硬件设计2.2.1控制系统的硬件结构框图本控制系统主要由水源地模块、用水地模块、移动监控终端三大部分组成,其结构框图如图2-1所示。GSM短信网路移动监控终端启水动用水源设地通地水泵备讯模通水位探针块讯模地远距离输水管道蓄水池块下水水源地区用水地区图2-1农村无人值守远距离引水工程控制系统示意图7 中职教师在职硕士学位论文其中蓄水池、输水管道和抽水机井使用现有设备或系统改造前已安装完毕,不再重新建造,以节约改造成本。本项目所进行的硬件系统设计与改造内容主要包括:抽水水泵控制系统、水源地无线通信模块,用水地无线通信模块,用水地水位检测模块。抽水水泵控制系统主要是在原控制电路中加入电流检测传感器和自动控制的启停触头,水源地模块和用水地模块均要求电源电压稳定且无干扰,有指示灯对模块通电运行的运行状态进行指示,模块之间能够利用短信相互通信,根据短信实现对水泵电机的启停控制,并能将水泵的工作状态以短信发送给监控手机,系统能够在水泵电机出现缺相、过载、过流和短路等问题时实现保护并向监控手机发出报警短信。用水地模块能够定时检测蓄水池的水位信息,根据水位信息发送短信给水源地模块去启停水泵电机,还要求能跟监控手机之间实现短信通信,将当前水位信息以短信的形式发送给监控手机。水位检测模块能够对蓄水池的水位状态进行正确的检测。2.2.2抽水水泵控制系统设计1.潜水电泵的选型供水系统的核心部件是抽水水泵,如果水泵选型不当,在工作中扬程、流量不符合要求,材料不耐腐蚀等,都会造成效率低下、使用寿命短、存在安全隐患[45]等问题,不利于后期的生产和维护。选择适合的潜水电泵需要确定流量、扬程及配套电机的功率三个核心参数。这些参数具体确定的方法如下:(1)流量是选择潜水电泵的主要参数之一。电泵的设计流量应与系统的用水量相协调,要了解供水系统在使用过程中的单位时间用水量的变化范围,即最大单位时间用水量和最小单位时间用水量。选择电泵时应以最大单位时间用水量为依据,如果没有给出最大单位用水量,通常可取正常单位时间用水量的1.2倍。(2)扬程是选择电泵的另一个主要性能参数,扬程不仅和管路系统的结构、材料、压差等因素有关,还与最低吸入液面和最高输出高度有关。电泵的扬程选择过高或过低都会对系统的正常工作产生影响,扬程选择过低,会造成抽不出水;扬程选择过高,会造成机械摩擦增大,损坏潜水泵。(3)电机功率的选择也相当重要。离心式潜水泵的电动机功率一般按下式计算:ρgQHQHP2.72(1-1)3600η1000η式中,P—所选电机额定功率,kW;ρ3—流体密度,kg/m;8 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究2g—重力加速度,m/s;3Q—流量,m/h;H—扬程,m;η—效率,一般为70-80%;一般,当输水管道较长、流速较高、使用的阀门与弯头数量较多时,需要适当加大余量,通常会选择将理论计算值乘以1.1-1.2的系数。3据实地考察了解,该村平均用水量约80m/h,水井深度约130m,根据式(1-1)可求得所需电机功率为40kW。通过查询相关资料和当地市场考察,最终确定选用大西洋50QJ150-180/9型离心式深井多级潜水泵,该潜水泵的额定功率为345kW,额定电流为94.1A,扬程为180m,额定流量为150m/h,出水口直径为4寸,能满足设计需要。2.潜水电泵控制电路的设计由于所选用的潜水泵电机达45kW,启动电流比较大,需要采取降压启动,因此本系统的潜水泵采用自耦变压器降压启动。考虑到自动控制过程中需要加入主电路电流检测及自动控制启停触头,需要对电机原来的控制电路加以改造,其控制电路原理图如图2-2所示。图2-2潜水电泵控制电路原理图在此控制电路中,除考虑了本地的启动和停止外,还加入了根据GSM模块9 中职教师在职硕士学位论文接受到的用水地区控制命令(或第三方监控端命令)执行对水泵的启动和停止控制。另外,电机控制电路还应具备相应的过电流、缺相、过载、短路等保护功能。在水泵电机出现过流、缺相、过载、短路时,能够通过控制系统及时关停电机,并以短信的形式向监控手机报警,以便管理人员及时发现问题并解决。过流、缺相保护电路与单片机控制系统间的接口电路如图2-3所示。电路主要元器件清单见表2-1。图2-3过流、缺相保护电路与单片机间接口电路表2-1电路主要元器件清单序号元器件名称元器件代号元器件规格数量1空气开关QFDZ10-100/33012熔断器FURL1-1523接触器KM1-3CJ20-10034热继电器FRJR20-16015时间继电器KTJS14A-6016中间继电器KAJZC4-2217自耦变压器QSAQZB-45kW18电流互感器T1-3AKH-0.6632.2.3用水地区水位探测装置设计一般的水位检测采用浮球检测装置,但在实际工作中由于蓄水池现场环境难以预测,如水流的扰动,水面结冰,检测装置结构老化等,产生的问题较多。本系统采用不锈钢探针检测水位,在实际工作中将两组探针(每组两根,间距1厘米)根据所需控制水位(高和低)平行安装于标尺竿上,标尺竿垂直固定于蓄10 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究水池边沿,利用探针间空气和水的两种状态时电阻的不同实现水位信息的收集,同时便于设定控制水位的高低。各地区水源因矿物质的含量不同会造成水源呈现的电阻特性也不同,一般探针间水电阻在25千欧姆到50千欧姆之间变化,利用探针间水电阻和空气电阻(一般在1兆欧以上)的明显不同,可以明确的判断当前的水位。虽然不锈钢材料具有耐腐蚀性,但浸在水中通过电流时也会具有一定的电解效应,长时间工作会引起损坏。因此在检测时可采用脉冲工作,即根据采样时间(一般为5分钟)进行断续通电工作,减少了通电状态时间,延长其工作寿命。实际工作电路如图2-4所示。图2-4用水地区水位探测装置2.2.4用水地区控制参数通讯模块硬件设计用水地区控制参数通讯模块主要由电源模块、主控模块、通讯模块、水位检测模块四部分组成。电源模块是由12V输出的开关电源加上相应的电源变换电路组成,为主控模块、通讯模块和水位检测模块供电。主控模块选用STM32最小系统开发板,通过RS232串口实现与通讯模块之间数据交换和通信,并控制水位监测模块定时检测蓄水池当前水位。通讯模块选用品牌ATK-SIM900A开发[46-50]板,实现与用水地、监控手机之间的无线通信。其硬件结构框图如图2-5所示。电源模块SIM900A手机信MCU水位数据采集RS232号收发模块STM32F103RBT6模块(水位检(通讯模块)(主控模块)测检测模块)图2-5用水地区控制参数通讯模块硬件结构框图11 中职教师在职硕士学位论文1.电源模块通过查询通讯模块和主控模块的相关资料可知。两模块的核心芯片的工作电压是不一样的,为使两模块都能正常工作,必须对电源电路进行重新设计,实现对两者的分别供电,改进后的电源电路如图2-6所示。图中DC1接开关电源12V输出,经过电容滤波后输入到开关型集成稳压芯片LM2596S-5.0,产生5V电源给通讯模块供电,再将5V电压输入到稳压器ASM1117-3.3得到3.3V稳定电压给主控模块供电,当电源电路正常输出3.3V电压后,POWER1指示灯亮起时,表示电源已正常供电。LM2596系列开关型集成稳压芯片能够输出最高达3A的驱动电流,具有较好的线性和负载调节能力,内部集成固定频率为150kHz的振荡器及1.23V的基准稳压器,具有电流限制、热关断电路等完善的保护电路。只需配合少量的外围元件即可组成高效稳压电路。LM2596系列有:固定电压输出和可调电压输出两个大类,本项目选用的是5V固定电压输出的LM2596S-5.0。图2-6电源电路2.主控模块(1)STM32最小系统开发板简介由于本项目的控制要求不高,输入输出点数也不多,因此,在主控模块选用STM32最小系统开发板,其外形及布局如图2-7所示。12 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究图2-7STM最小系统开发板外形及布局此最小系统开发板有如下板载资源:STM32F103RBT6主芯片1块标准JTAG/SWD下载口1个电源指示灯1个状态指示灯2个SPIFLASH芯片1个快速I/O接口51个通用定时器3个高级定时器1个SPI接口2个I2C接口2个USART接口3个USB接口1个CAN接口1个12位模数转换器2个模块上的主芯片为STM32F103RBT6,芯片外形如图2-8所示。图2-8STM32F103RBT6单片机13 中职教师在职硕士学位论文此芯片处理频率高达72MHz,使用32位的ARMCortex-M3内核,内置128K[51-52]闪存,芯片引脚排列如图2-9所示,主要参数见表2-2。图2-9STM32F103RBT6引脚排列表2-2STM32F103RBT6单片机主要参数序号类型相关参数1芯片系列STM32F2存储器容量(RAM)20KB3计时器数44封装形式LQFP5工作温度范围-40°Cto+105°C6针脚数647串行通讯2xSPI,2xI2C,3xUSART,USB,CAN8位数329器件标号(ARMCortex)STM3210存储器类型FLASH11定时器位数1612接口类型CAN,I2C,SPI,UART,USB13时钟频率72MHz14模数转换器输入数1615电源电压最大3.6V16电源电压最小2V17芯片标号32F103RB18表面安装器件表面安装19输入/输出线数4914 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究20闪存容量128KB(2)主控模块具体硬件设计STM32最小系统开发板的核心是STM32F103RBT6单片机,如图2-10所示。其芯片通讯端口定义如下:串口1中的PA2、PA3、PA8、PA9、PA10、PA11用于与通信模块之间的通信,其中PA3/RXD2、PA10/RXD1为输入端口,PA2/TXD2、PA9/TXD1为输出端口,PA8为工作状态指示信号,PA11为模块开关信号。串口1中的PA5、PA6和串口2中的B5、PB6实现与水位监测模块通信,实现数据的收发,PA5、PA6为输入端口,PB5、PB6为输出端口。BOOT0和BOOT1外接启动方式选择端,启动方式选择电路如图2-11所示,NRST外接复位电路,如图2-12所示。PB7为芯片工作指示。图2-10用水地STM32F103RBT6单片机最小系统图2-11启动方式选择图2-12复位电路3.通信模块(1)通信模块的简介通信模块选用的是ATK-SIM900A-V15,有足够的接口资源和系统功能,可15 中职教师在职硕士学位论文以提供语音、短信、GPRS数据等各类服务,体积小,性价比高。模块板载资源包括:GSM模块:SIM900ARTC后备电池1个麦克风接口1个耳机接口1个RS232选择接口1个RS232串口1个锂电池接口1个电源指示灯(蓝色)1个电源开关1个翻盖式SIM卡座1个SMA天线接口并配套小辣椒天线1个开机/关机按键1个网络状态指示灯1个模块外形及布局如图2-13所示。图2-13ATK-SIM900A模块外形及布局模块采用工业级标准设计,用排针引出所有I/O接口,易于使用。(2)SIM900A芯片简介SIM900A芯片是希姆通公司生产的一款符合GSM网络通讯标准的芯片,可以实现语音、短信和数据传输基本通讯功能。特点是:功耗低、性能可靠、体积小,性价比高。SIM900A芯片及其管脚排列,如图2-14所示。16 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究图2-14SIM900A芯片外形及管脚排列(3)通信模块硬件安装通信模块使用前,应准备4种器件:能正常使用的中国移动SIM卡1张外部直流电源1个RS232串口线1根耳机1副(带麦克风功能)具体安装步骤如下:①装上SIM卡;②将带麦克风的耳机插入耳机插孔;③接上USB转串口线,并安装USB转串口线的驱动;④打开电脑上的设备管理器,查看HL-340被识别出的串口,如图2-15所示;⑤用跳线帽分别将SRXD和STXD连接到对应的RTXD和RRXD,如图2-16所示。⑥接上电源,并按下电源开关;⑦长按PWR_KEY按键,进行模块手动开机模块开机后,观察红色指示灯,快闪(1秒/次),表示还没有连接到网络,慢闪(3秒/次),表示已经连接到网络,可以正常使用了,整个过程可能需要几秒到几十秒不等的时间,视当地GSM网络而定。图2-15设备管理器中串口图2-16跳线帽连接位置17 中职教师在职硕士学位论文4.水位检测部分水位检测部分电路由两个继电器和LM339运放及外围元件构成,如图2-17所示。水位检测部分电路将K1、K2接到主控电路的采样脉冲信号输出端PB5、PB6,当主控电路中的PB5、PB6输出高电平(即开始采样),三极管Q3、Q4导通,继电器KA1、KA2线圈得电,动合触头闭合为LM339供电。由LM339所构成的比较电路,对P2、P4端测得的水位参数与设定值进行比较,实现模数转换,将水位高低信息通过ADC12_5和ADC12_6传输到主控电路的PA5、PA6端口,进行信息处理。图2-17水位检测电路18 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究2.2.5水源地水泵控制参数通讯模块硬件设计水源地控制参数通讯模块主要由电源模块、主控模块、通讯模块、执行模块四部分组成。其硬件结构框图如图2-18所示。电源模块SIM900A手机MCU动作执行及反RS232信号收发模块STM32F103RBT6馈模块(执行模(通讯模块)(主控模块)块)图2-18水源地通讯模块硬件结构框图1.电源部分水源地通信模块的电源电路采用与用水地一样的供电模式,电源电路如图2-19所示。图2-19水源地电源电路2.主控部分水源地主控部分与用水地相同,也是由STM32F103RBT6单片机构成的MCU最小系统,如图2-20所示,电源及指示灯已在图上画出,芯片其他通讯端口定义如下:NRST接复位按钮电路,BOOT0和BOOT1接启动方式选择电路,如图2-21所示;PD0/PD1和PC14/PC15分别接8MH和32.768KHz的时钟电路,如图2-22所示;PA9/PA10通过RS232与通信模块之间实现通讯;PC8/PC9控制水泵的启动和停止的驱动电路,如图2-23所示。19 中职教师在职硕士学位论文图2-20水源地STM32F103RBT6单片机最小系统图2-21系统复位及启动方式选择电路图2-22时钟电路图2-23水泵启停驱动电路20 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究3.通信模块水源地通信模块的选用与用水地一样,不再重复介绍。4.执行模块由于单片机输出的控制信号不能直接用于控制水泵,因此通过三极管8050驱动两个5V继电器接入到水泵控制电路,如图2-23所示,实物如图2-24所示。图2-24输出驱动电路2.3本章小结本章主要分析了无人值守远距离引水工程控制系统的功能要求,并根据功能要求进行硬件的设计,包括抽水水泵控制系统、用水地区水位探测装置、用水地区控制参数通讯模块、水源地水泵控制参数通讯模块这五大核心模块。给出了硬件的主要参数、工作原理及电路硬件构成。21 中职教师在职硕士学位论文第三章无人值守远距离饮水工程控制系统软件设计及实现3.1控制系统的控制策略设计根据远距离引水工程的实际情况,控制系统分为三部分,即水源地区系统、用水地区系统、第三方监控系统(管理员的手机),上述三方相互之间通过GSM短信网络(即SMS)进行信息和指令的传输,建立基于GSM相关通讯协议的信息交互平台。控制系统的控制策略如图3-1所示。第三方监控系统SMSSMS水源地区系统用水地区系统SMS图3-1控制系统的控制策略用水地区系统每隔5分钟检测一次蓄水池中的水位,并储存起来直到下一个水位数据将其擦除,当检测到水位低于系统设定的最低控制水位时,会立即向水源地区系统发送一条启动抽水水泵的信息,同时向监控系统发送一条报告当前水位低于最低控制水位的信息,水源地区系统在接收到启动水泵的信息后,立即启动水泵抽水,并向监控系统发送一条水泵已启动的信息。当用水地区系统检测到蓄水池中水位高于设定的最高控制水位时,会立即向水源地区系统发送一条停止抽水水泵的信息,同时向监控系统发送一条报告当前水位高于最高控制水位的信息,水源地区系统在接收到停止水泵的信息后,立即停止水泵抽水,并向监控系统发送一条水泵已停止的信息。在系统运行期间,监控系统随时都可以通过发送短信,来了解蓄水池当前的水位信息及水泵是否处于工作状态,还可以在系统出现异常状态时,直接干预水泵的控制,如水位已高于设定值时,发现抽水水泵没有停止,可以通过短信直接停止水泵。系统还应具备一定的扩展功能,如增加系统管理员的人数,并设定不同的管理权限等。在实际设计中考虑到偏远地区农村GSM网络信号强度问题,采取“请求—确认”双向数据应答通信模式,即每当其中一个设备发出有效命令或数据后,接收方都要回复一个应答信息,如果在规定时间内没有接收到应答信息,则继续发22 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究送请求,直到接收到应答信息,连续几次出现无应答立刻向监控方发送信息报告,从而保证整个系统稳定可靠运行。另外,为防止发生误操作,在每次发送控制指令短信前要求加上密码。3.2GSM移动通信系统组成及特点GSM移动通信系统由三大部分组成:移动台(MS)、网络子系统(NSS)和基站子系统(BSS),其系统网络结构如图3-2所示。系统的各类信息和数据都通过图中MSC(移动交换中心)与PSTN(公共交换电话网络)、ISDN(综合19]业务数字网)和PDN(公共数据网)进行连接。图3-2GSM蜂窝移动通信系统网络结构网络子系统与基站子系统之间的接口为“A”接口。移动台可采用不同厂家的设备。1.移动台(MS)移动台属于移动通信网络中的终端设备,有车载式、便携式和手持式三种常见类型。其中手持式就是我们常用的"手机”。移动台可以通过GSM网络与基站之间建立双向的无线通信通道实现通话、接发短信及数据传送等功能,主要由移动终端(MT)和客户识别卡(SIM)两部分组成。(1)移动终端(MT)移动终端能够实现语音、信道的编码和信息的调制、加密、发射、接收、解调等功能。(2)客户识别卡(SIM)客户识别卡就是"身份卡”,与IC卡相似,也可以叫智能卡,卡里存有在手机接入网络时用来确认用户身份的信息,并可以执行与安全保密相关的功能。2.基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)也叫基站设备,相当于一个一个的中继站点,主要功能是负责信息、数据的发送和接收及管理无线资源。基站子系统主要包括:BTS(基23 中职教师在职硕士学位论文站收发信台)和BSC(基站控制器)两大部件。(1)基站控制器基站控制器是基站收发信台和移动交换中心间的信息交换接口,一般一个控制器可以控制多个基站收发信台,主要功能是管理无线信道、建立和切断通信链路、控制移动台在不同控制区域之间的切换等。(2)基站收发信台基站收发信台由基站控制器控制,主要功能是实现无线信号与有线信号之间的切换,无线信号的分集、加密和跳频等。3.网络子系统(NSS)网络子系统(NSS)主要用于管理移动用户之间及移动用户和其它通信网用户之间的通信。网络子系统由移动交换中心、拜访客户位置寄存器、归属客户位置寄存器、鉴权中心和移动设备识别寄存器等主要部件构成,在整个移动通信系统内部,网络子系统的各部件之间及网络子系统和基站子系统之间都通过国际电报电话咨询委员会所制定的统一的协议实现通信。(1)移动交换中心(MSC)移动交换中心是整个移动通信系统的核心,移动通信系统与外部的连接、内部管理都以其为中心来实现。(2)拜访客户位置寄存器(VLR)拜访客户位置寄存器是一个存储客户的号码、识别位置区域和服务等信息的数据库。(3)归属位置寄存器(HLR)归属位置寄存器一个存储关于客户的参数和目前所处位置信息的数据库。(4)鉴权中心(AUC)鉴权中心的功能是用于产生随机号码、符合响应、密钥三个参数。(5)设备识别寄存器(EIR)设备识别寄存器是一个存储移动台设备信息的数据库。主要功能是可以实现对移动台的识别和监控。GSM系统的主要技术特点如下:频谱效率高。容量大。话音质量好。开放的接口。安全性高。可以与ISDN、PSTN等的互连。24 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究实现漫游。3.3SMS通讯协议通讯协议是通信双方都必须遵守的一种约定,主要对通信双方的传送数据的格式、同步方式、速度、步骤、检纠错方式及控制字符定义等问题做出了统一的规定。3.3.1SMS的概念及特点SMS由移动通信运营商通过移动通信网络传输数据的一项基本服务。短信业务所传输的数据并不是直接从发送端送到接收端,因此不用建立拨号连接。短信业务是把要发送的信息加上接收手机号码发送到短信服务中心,经过短信业务中心实现存储和转发,这就意味着当接收手机处于未连接状态时(可能是电话已关机或不在网络信号覆盖范围内),由短信服务中心转发的信息没有被正常接收,在接收手机接入网络后,信息将被重新发送,不会造成信息的遗漏。不过手机收发短信的内容是有一定限制的,一般手机都能实现收发一条最长可以由160个字符(7-bit编码)或70个汉字(16-bit编码)组成的信息,这也是短信的“短”字的含义来源。虽然移动通信网络的短信服务具有发送成功与否的确认功能,但在本项目中考虑到偏远地区农村GSM网络信号强度问题,还是采用"请求—确认”双向数据应答通讯模式,即每当其中一个设备发出有效命令或数据后,接收方都要回复一个应答信息,如果在规定时间内没有接收到应答信息,则继续发送请求,直到接收到应答信息,连续几次出现无应答立刻向监控方发送信息报告,从而保证整个系统稳定可靠运行。3.3.2SMS管理协议简介SMS管理协议如图3-3所示。图中各模块含义如下:1.SME位于一个短信服务中心或移动终端中,可以实现对短信的接收和改善。2.SMSC是短信服务中心,其实际上是一个运行在服务器上的数据库应用程序,主要功能是使用相关指令与移动交换中心进行连接,实现对短信底层编码的收发,将发送端发送过来的信息存入到数据库中,同时另一个程序会把这条信息排入发送信息的任务队列,将信息通过无线信道发送出去,如果发送成功,即收到接收手机的反馈信息,程序将删除此信息以释放数据库的存储空间,并统计信息保存下来用以计费;如果发送失败,没有接收到反馈信息,则按一定的时间间隔进行重新发送,直到发送成功或过期为止。3.MSC为移动交换中心,主要功能是实现移动通信系统的内部管理及与外25 中职教师在职硕士学位论文部连接的控制。4.HLR为归属位置寄存器,是一个用于长期保存和管理由短信服务中心产生用户信息及服务记录的数据库。5.SMCGWMS称为短信网关,主要功能是接收由短信服务中心发送的短信,向归属位置寄存器查询接收端相应的路由信息,并将短信息发送给接收端所在基站的移动交换中心。6.VLR为拜访位置寄存器,是一个用于存储用户的号码、通话的所需检索信息、签订的业务等临时信息的动态数据库。7.BSS为基站子系统。8.SS7为信令系统7,由国际电信联盟远程通信标准化组织定义的一组电信协议,该协议具有与数据库查询、事件处理、网络操作和综合业务数据网络相关的协议。SMEVLRSMESMCSMSCSS7MSCBSSGWMSSMESMEHLR图3-2SMS管理协议3.3.3SMS短信基本通信协议简介欧洲通信技术标准委员会为短信制定了三种用于移动台之间通过异步接口传输数据的接口协议:PDU模式、文本模式和块模式。1.PDU模式:由应用系统来完成短信的组装任务,这种模式既可以发送字符数据又可以传送二进制数据,解决了中文信息的发送问题。可以用AT指令"AT+CMGF=0"来进入PDU模式。PDU模式共有三种编码方式:UTF-7(7-bit编码)、UTF-8(8-bit编码)、UTF-16(16-bit编码)。分别能够传送的最多160、140、70个字符(实际都是140个Byte)。其中,UTF-7用于发送ASCII码字符;UTF-8用于发送数据信息,如图片或铃声等;UTF-16用于发送万国码字符。每种语言中的每一个字符在万国码(Unicode)中都有一个统一且唯一的二进制编码,使用该二进制编码可以实现文本跨语言、跨平台的转换和处理。PDU模式数据串分为两大部分:信息头和信息体,短信服务中心号码、信息类型、被叫号码和字符集选择等信息位于信息头中,这些信息都是八位字节的26 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究十六进制数或半八位字节的十进制数格式,信息体是以Unicode格式进行编码的信息内容。2.文本模式(TEXTMode):是在GSM修改的AT指令集的基础上定义的基于字符的协议。文本模式只能提供对字符进行操作,不支持中文短信,可以使用AT指令“AT+CMGF=1”来进入文本模式。3.块模式(BLOCKMode):比较复杂且不直观,已基本被PDU模式取代。3.3.4SMS业务的优点和局限性短信业务是移动通信系统中最简单、最方便的数据通信方式,有以下优点:1.费用低廉。2.不需同时在线。3.多种数据承载能力4.安全性高。由于SMS属于GSM第一代的标准,主要包括以下几点局限性:1.信息长度有限。2.数据传输速率慢。3.效率低。4.缓存区小。3.4水源地、用水地和监控手机的通讯实现在SIM900A模块中已经把数据的编码等基本通讯协议设计完善,即任何第三方手机只要知道SIM900A模块中手机号码都可以发送有效短信。在实际工作中,为了保证模块间通讯内容的安全性,应在此基础上加入一层使用方密码通讯协议。由于模块间数据的传输是以短信息方式传输的,故可以设计每一条短信的格式为“6位密码+控制命令”来实现使用方的控制权。在本项目中自定义了几个短信控制指令,具体为:启动—启动取水设备命令;关闭—关闭取水设备命令;水位—读取水位信息命令;设备—读取设备状态命令。这些指令通过短信的方式来实现对模块的操作。具体工作过程如下:自动控制模式:用水地的水位检测电路根据设计每隔5分钟进行一次水位采样,当水位低于最低控制水位时,通过用水地通信模块向水源地通信模块发送“……+启动”格式的短信,其中“……”为六位密码,“启动”为控制指令,水源地系统根据接收到的短信对抽水水泵进行启动,并向用水地和监控手机发送“……+水泵启动完成”的短信。用水地在接收到反馈短信后就不再发送启动水泵指令。直到水位检测电路检测到蓄水池水位高于最高控制水位,就向水源地通信27 中职教师在职硕士学位论文模块发送“……+停止”短信,水源地模块会根据短信停止抽水水泵,并向用水地模块和监控手机发送“……+水泵停止完成”短信,用水地模块在接收到反馈短信后不再发送水泵停止指令。手机监视模式:使用监控手机向用水地模块发送“……+水位”指令,用水地模块会将最近一次检测到的水位信息以短信形式反馈给监控手机。用监控手机向水源地模块发送“……+设备”指令,水源地模块会将水泵当前的运行状态以短信的形式反馈给监控手机。手机远程控制模式:使用监控手机可以直接向水源地模块发送“……+启动”或“……+停止”来直接启动或停止抽水水泵,并会有相应的反馈信息发送到监控手机上。如果用水地和监控手机发送的指令有冲突,则延时10分钟后执行第二条指令。3.4.1AT指令简介AT指令集开始是针对调制解调器操作的一种协议,并不能实现对短信的控制。后来欧洲电信标准化协会发布了一套由当时世界上主要的移动电话生产厂商共同为移动通信系统所开发的AT指令集,使用该指令集用户可以实现移动通信中呼叫、短信、电话本、数据业务、传真功能的控制。3.4.2STM32的底层配置单片机模块的底层配置是系统正常运行的重要保证,首先通过前面设计的原理图和模块的使用说明,分配输入输出端口,然后建立一个合适的开发平台,在这个开发平台所建立的工程中添加所需的库函数和相应配置文件,最后进行系统时钟、中断控制器、通用输入输出接口和相应串口的设置。具体配置如下:1.串口配置首先确定传输比特率,设置数据格式为1位停止位,无奇偶校验,然后使能端口时钟、串口时钟和设置IO状态,再使相应串口复位准备接收数据,以串口1为例串口初始化函数如下://串口1初始化函数//pclk2:时钟频率//bound:波特率voiduart_init(u32pclk2,u32bound){floattemp;u16mantissa;28 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究u16fraction;temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//计算波特率mantissa=temp;fraction=(temp-mantissa)*16;mantissa<<=4;mantissa+=fraction;RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能端口时钟RCC->APB2ENR|=1<<14;//使能串口1时钟GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;//IO状态设置GPIOA->CRH|=0X000008B0;//IO状态设置RCC->APB2RSTR|=1<<14;//串口1复位RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位USART1->BRR=mantissa;//设置波特率USART1->CR1|=0X200C;//设置数据格式,1位停止位,无奇偶校验#ifEN_USART1_RX//如果使能了串口接收USART1->CR1|=1<<8;//串口接收中断使能USART1->CR1|=1<<5;MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQChannel,2);//设置中断优先级#endif}2.中断控制器的配置本项目只用到了串口中断,没有使用外部中断,中断函数配置相对简单,具体串口中断函数如下。//串口1中断函数u8USART_RX_BUF[USART_REC_LEN];//接收数据的缓存u16USART_RX_STA=0;//接收状态标记位voidUSART1_IRQHandler(void){u8res;if(USART1->SR&(1<<5))//收到数据{res=USART1->DR;if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成{29 中职教师在职硕士学位论文if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到0x0d{if(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始数据接收elseUSART_RX_STA|=0x8000;//接收完成}else/未收到0x0d{if(res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;else{USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=res;USART_RX_STA++;if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收错误从新开始接收数据}}}}}3.4.3无线通信模块短信功能的调试1.AT指令检验AT指令和串口的读写是短信功能实现的两个关键点,串口设置和中断配置成功后,主控模块和通信模块之间的通信可以通过AT指令来完成。首先要使用串口调试助手软件检验一下AT指令工作是否正常,如图3-3所示,具体操作方法如下:(1)将通信模块用串口连接线与计算机的串口连接好。(2)在模块初始化完成以后,打开串口调试助手软件,设置好相应的串口号和波特率。(3)在指令输入区输入“AT”后回车,按下“手动发送”按钮,如果信息反馈区显示“OK”,表明AT指令工作正常可以进行接下来的短信收发功能。30 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究图3-3AT指令检验2.英文短信的发送调试,如图3-4所示(1)在指令输入区输入“AT+CMGF=1”后回车,设置英文短信发送模式,返回值应为“ok”。(2)在指令输入区输入“AT+CMGS=13857277163”后回车,按下“手动发送”按钮,设置向手机号为“13857277163”的手机发送短信,返回值为“>”。(3)在“>”符号后输入“abcdef”,按下“手动发送”按钮,手机应接收到英文短信“abcdef”。图3-4发送英文短信调试3.中文短信发送调试发送中文短信有两种格式:文本格式和PDU格式。下面使用PDU模式发送中文短信来进行调试,首先以发送“启动”两个字到手机“13857277163”为例,详细分析一下PDU数据串中各部分的含义。例:将信息“启动”到手机“13857277163”的PDU模式的数据串为0891683108502705F0040D91683158271736F100085170809021252308542F52A8(1)08—短信中心地址长度。指91683108502705F0的长度,共有8个字节。31 中职教师在职硕士学位论文(2)91—短信中心号码类型。91是短信服务中心的地址格式,遵守E.164标准。91H的二进制编码为10010001B,共有八位二进制组成,其中各字段含义见表3-1。表3-1短信中心号码类型二进制编码各字段含义BitNo.76543210Name1数值类型号码鉴别数值类型代码含义:000—未知,001—国际,010—国内,111—留作扩展;号码鉴别代码含义:0000—未知,0001—ISDN/电话号码,1111—留作扩展。(3)683108502705F0—短信中心号码。(4)04—基本参数。(5)0D—被叫号码长度。(6)91—被叫号码类型。(7)683158271736F1—被叫号码,实际号码为“8613857277163”。(8)00—协议标识,00表示为点到点方式的普通GSM类型。(9)08—数据编码方案。(10)51708090212523—服务时间为2015-07-0809:12:52+32时区。(11)04—用户数据长度为4字节(2个汉字)。(12)542F52A8—用户数据为“启动”。其中,(1)、(2)、(3)统称为短信息中心地址信息。(5)、(6)、(7)统称目的地址信息。具体调试方法如下:(1)编写所要发送信息的PDU信息编码(2)设置发送模式为PDU模式,输入指令为“AT+CMGF=0”后回车,返回值为“OK”。如图3-5所示。(3)设置发送短信字符串长度,输入指令为“AT+CMGS=19”后回车,返回值为“>”符号,如图3-6所示。(4)输入上面转换的PDU编码,以ctrl+z结尾。图3-5设置发送模式为PDU图3-6设置发送短信字符串32模式长度 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究4.与短信相关的AT指令见表3-2表3-2与短信相关的AT指令指令功能说明AT+CSMS选择短信服务类型服务有GSM-MO、SMS-MT、SMS-CBAT+CNMA新短信确认应答AT+CPMS选择短信存储区域用来指定读写短信的存储区域AT+CMGF选择短信格式执行格式有TEXT方式和PDU方式AT+CSAS保存设置保存+CSAS和+CSMP的参数AT+CRES恢复设置AT+CSDH显示文本方式的参数AT+CNMI新短信指示AT+CMGR读短信从+CPMS命令设定的存储器读取短信AT+CMGL列出存储的信息AT+CMGS发送信息AT+CMGW写短信息并存储AT+CMSS从存储器中发送信息AT+CSMP设置文本模式的参数AT+CMGD删除短信息AT+CSCA短信服务中心地址AT+CSCB选择单元广播信息类型AT+WCBM单元广播信息标识AT+WMSC信息状态修正AT+WMGO信息覆盖写入AT+WUSS不改变SMS状态在执行+CMGR或+CMGL后仍保持UNREAD3.5系统程序设计3.5.1嵌入式μC/OS-II实时操作系统简介1.μC/OS-II实时操作系统μC/OS-II是一种源代码公开的嵌入式多任务实时操作系统,适用于多种不同类型的微处理器,最突出的优点是由于源代码公开,方便一直和维护。2.μC/OS-II实时操作系统内核结构在多任务操作系统中,内核主要提供任务切换管理服务,负责为每个任务分配CPU时间,并实现任务之间的通讯。μC/OS-II实时操作系统最多可以64个任33 中职教师在职硕士学位论文务实现管理。开发者占用和保留了其中的8个任务,因此,用户最多可以使用其中56个任务。由于μC/OS-II实时操作系统是一种基于优先级的抢占式操作系统,因此,必须给各个任务设置不相同的的优先级。为能够实现任务之间的快速切换,系统还为每个任务设置独立的堆栈空间。为了确保实现近似地让优先级最高的就绪任务始终处于运行状态,操作系统以调度算法来实现系统API函数的调用、中断结束和定时中断结束。通过事先计算好的数据,可以设计就绪表结构使得延时[53-59]时间能够事先确定。3.μC/OS-Ⅱ实时操作系统的特点提供全部的源代码,为编程带来很大的方便;系统的移植性好,只要符合一定的条件系统可方便的一直到多种不同类型的微处理器中;固化方便,只要采用合适的软件工具就可以将嵌入到各种产品中;可以裁剪,采用条件编译可以只使用需要的系统服务;具有完全可抢占性,总是运行就绪条件下优先级最高的任务;最多可以管理56个用户任务;可以确定函数调用和服务的执行的时间;用单独的栈存放每一个人;系统服务完善;中断管理能力强;有很好的稳定性和可靠性。3.5.2无人值守远距离饮水工程控制系统程序设计实际系统设计时,水源地区控制模块和用水地区控制模块里都移植了μC/OS-II实时操作系统。为防止程序由于不可预测因素的影响,专门建立看门狗任务。当系统执行出现错误时可以自动复位,以此来提高系统运行的稳定性。1.用水地模块的数据仲裁任务的程序流程框图如图3-7所示34 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究开始读取短信有短信根据短信内接收缓存容执行操作无短信清空短信接收缓存读取达到水位上限发送停止取水命令水位数据达到水位下限发送开始取水命令返回图3-7用水地区模块的数据仲裁任务程序流程2.框图水源地区程序流程框图如图3-8所示开始读取短信有短信根据短信内接收缓存容执行操作无短信清空短信接收缓存读取设备运行状态返回图3-8水源地区程序流程框图35 中职教师在职硕士学位论文3.系统核心代码MCU通过串口向SIM900A模块发送AT指令来完成短信息的读取和发送。其核心代码如下:(1)短信息发送C语言代码sim900a_send_cmd("AT+CMGS="XXXXXXXXX"",">",200);//向SIM900A写入短信接收方电话号码u2_printf("XXXXXX+XXXXXX");//写入短信内容密码+控制命令sim900a_send_cmd((u8*)0X1A,"+CMGS:",1000);//启动发送值得注意的是在向SIM900A模块写入内容时要将短信息内容转换成Unicode码,模块才可以正确的发送短信内容,以上代码中以XXXXXX字样部分代表需要[60-64]转换成Unicode码的部分。(2)短信息读取C语言代码if(strstr((constchar*)USART2_RX_BUF,"+CMTI")!=NULL)//是否是短消息触发事件{u2_printf("AT+CMGR=01rn");//读取位置1的短消息while((USART2_RX_STA&0x8000)==0);//等待接收完成p=strstr((constchar*)USART2_RX_BUF,"+32");//从串口缓存中找到实际短信内容起始地址for(i=0;i<22;i++)//读取用户短信内容{CODE_nummber[i]=C2C(p+6);p+=4;}}3.6本章小结本章从无人值守远距离饮水控制系统的控制策略出发,介绍了GSM移动通信系统的组成及特点,SMS通讯协议的构成,水源地、用水地和监控手机间的通讯协议,短信功能的调试方法,嵌入式μC/OS-II实时操作系统,给出了控制系统软件的流程框图及核心代码。36 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究第四章无人值守远距离饮水工程控制系统的调试由于实际安装地离我校路途遥远,为使系统安装调试能够一次性成功,我们先在实验室里搭建了一个仿真模型,先在模型上进行系统的模拟调试,然后到现场进行实地调试。模型如图4-1所示。图4-1无人值守远距离饮水工程控制系统模4.1仿真模型调试型4.1.1仿真调试环境1.硬件平台:STM32F103RCT6手机最小系统模块2个;SIM900A手机收发模块2个;水位检测模块1个;开关量输出执行模块1块;开关电源模块2个;小型直流抽水水泵1个;能收发短信的手机1个;手机SIM卡3张;计算机1台;万用表、示波器、通讯线等调试工具。2.软件平台:XPSP2/Vista/Windows7(32/64)操作系统;KEILMDK4.0–C语言编译软件;μC/OS-II实时操作系统。37 中职教师在职硕士学位论文4.1.2仿真调试根据系统硬件结构,搭建仿真调试模型,如图4-1所示。1.各功能模块单独调试(1)将开关电源模块、单片机模块、GSM模块分别接通相应电源,观察各模块电源指示灯是否正常点亮。(2)水位检测模块第一步:检查焊接是否正确,有无错焊、漏焊;第二步:将高低水位探针分别与检测电路正确连接;第三步:给电路接通+5V电源;第四步:给驱动继电器的三极管基极加上高电平,观察继电器是否吸合;第五步:将高低水位探针分别插入水中,并调节电位器,用万用表检测检测电路的输出端直到有高电平输出;2.监控手机与用水地模块通讯调试在给系统接通电源后,将高低水位探针均插入水中,用监控手机编辑短信“密码+水位”发送到用水地模块号码,如果短信被正确接收则回复当前水位状态为“水位高”,如图4-2所示。再将高水位探针从水中拔出后,重复上述操作,能接收到“水位低”短信,表明监控手机与用水地通讯正常。图4-2监控手机与用水地通讯调试调试程序代码如下:#include"sys.h"//系统头文件...#include"usart2.h"//串口头文件...#include"sim900a.h"//SIM900A头文件...38 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究voidmain(void)//系统主函数入口{Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟初始化...USART2_Init(36,115200);//串口初始化...sim900a_test();//初始化SIM900A,并进入待命状态等待短信模块回传数据}====================================================================手机模块初始化及待命子函数====================================================================voidsim900a_test(void){...sim900a_send_cmd("ATE0","OK",200);//设置手机模块为不回传数据状态...while(sim900a_send_cmd("AT","OK",100))//检测SIM900A模块是否应答AT指令{...提示SIM900A正处于初始化过程中...}while(1)//进入系统待命状态,系统正常工作{...wl=WaterLine_Check()//水位检测0--下水位1--中水位2--高水位if(wl==0){SendCmd("open");向水源地发送开启水泵短消息Report(usernum,"Open");向用户报告系统工作状态}39 中职教师在职硕士学位论文elseif(wl==2){SendCmd("close");向水源地发送关闭水泵短消息Report(usernum,"Close");向用户报告系统工作状态}...delay_ms(100);}}3.监控手机与水源地模块通讯调试监控手机与水源地通信调试按以下步骤进行:(1)当前水源地抽水水泵为停止状态,使用水地水位处于高低水位探针之间,用监控手机编辑短信“密码+启动”发送到水源地模块号码,水源地水泵启动,并向监控手机发送短息“水泵启动完成”,如图4-3所示。图4-3监控手机远程启动水泵调试(2)运行一定时间后,用监控手机编辑短信“密码+设备”发送到水源地模块号码,监控手机会收到“设备运行正常”短信,如图4-4所示。图4-4监控手机查看水泵运行状态40 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究(3)用监控手机编辑短信“密码+停止”发送到水源地模块号码,水源地水泵停止,并向监控手机发送短息“水泵停止完成”,如图4-5所示。图4-5监控手机远程停止水泵调试(4)用监控手机编辑短信“密码+设备”发送到水源地模块号码,监控手机会收到“设备停止运行”短信,表示监控手机与水源地通讯正常,如图4-6所示。图4-6监控手机远程查看水泵运行状态调试程序代码如下:#include"sys.h"//系统头文件...#include"usart2.h"//串口头文件...#include"sim900a.h"//SIM900A头文件...voidmain(void)//系统主函数入口{41 中职教师在职硕士学位论文Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟初始化...USART2_Init(36,115200);//串口初始化...sim900a_test();//初始化SIM900A,并进入待命状态等待短信模块回传数据}=================================================================手机模块初始化及待命子函数=================================================================voidsim900a_test(void){...sim900a_send_cmd("ATE0","OK",200);//设置手机模块为不回传数据状态...while(sim900a_send_cmd("AT","OK",100))//检测SIM900A模块是否应答AT指令{...提示SIM900A正处于初始化过程中...}while(1)//进入系统待命状态,系统正常工作{if(USART2_RX_STA&0X8000)//判断SIM900A是否收到消{if(sim900a_check_cmd("+CMTI"))//判断收到的是否是有效数据switch(msgread(ss,sb,MA,MB))//解析收到的短消息{case1:Open_Water();break;//延时3分钟并发送开启水泵信号42 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究case2:Close_Water();break;//发送关闭水泵信号default:for(i=0;i<30;i++){LED1=!LED1;delay_ms(100);}break;//提示系统正常运行}}delay_ms(100);}}3.用水地模块与水源地模块之间通讯调试改变仿真模型中蓄水池理水位,当蓄水池水位下降到设定的下限水位后,水源地水泵能自动启动抽水,当蓄水池水位上升到设定的上限水位后,水源地水泵能自动停止抽水,表明用水地模块与水源地模块之间通讯正常。4.2现场调试4.2.1现场调试前准备工作1.在无人值守远距离饮水工程控制系统各执行单元(如用水地通讯模块,水源地通讯模块,水位检测模块等)单机调试完毕后,方可进行系统的联调。2.联调前需保证水位传感器,执行设备已安装到位,抽水水泵已手动正常运行3天。3.手机SIM卡话费充足。4.需要在水源地和用水地各安排1位调试人员,随时沟通设备现状。5.系统安装现场如图4-7和图4-8所示。图4-7抽水机站外观图4-8水源地控制系统模块43 中职教师在职硕士学位论文以上条件具备后,根据工艺要求,接入控制系统,对整个系统进行自动控制现场联调。4.2.2现场调试过程及软硬件参数调整1.现场调试步骤(1)采用手动控制方式启动水源地水泵,从地下抽水向用水地蓄水池注水;(2)当用水地调试人员观察到,蓄水池水位超过高水位探针后,用电话通知水源地调试人员停止水泵抽水;(3)用监控手机向用水地模块发送水位查询短信,观察是否反馈为高水位;(4)经过一定时间的正常用水后,当蓄水池水位低于低水位探针时,观察水源地水泵能否自动启动;(5)用监控手机向水源地模块发送设备工作状态查询短信,观察是否反馈为设备运行正常;(6)经过一定时间抽水后,当蓄水池水位高于高水位探针时,观察书原地水泵能否自动停止;(7)用监控手机向水源地模块发送设备工作状态查询短信,观察是否反馈为设备运行停止;(8)当蓄水池水位位于高低水位探针之间时,用监控手机向水源地模块先后发送水泵启动和停止信息,观察水泵是否能按指令正常工作。连续进行三天的以上调试,解决发现的问题,同时观察系统运行的稳定性。2.调试过程中发现的问题及处理(1)由于南北水质的差异,水位检测电路的采样电阻阻值需要调整。在学校进行仿真调试时,采样电阻阻值为47k左右。现场实地调试时,调整为27k左右。(2)由于水泵停止后,需要经过3分钟左右的时间,水管中的水才会回落到零水位,如果在这段时间内启动水泵会造成水泵电机带负载启动,容易损坏电机,缩短电机使用寿命。解决方法是在软件中增加了一段延时启动程序,在每次启动指令发出后,延时5分钟电机才启动,确保水管中水位回落到零水位。3.安装与调试制定规范的系统安装与调试方案,详见附件,并将安装与调试记录在表4-1中。44 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究表4-1安装与调试记录工程名称调试日期调试人员序号调试项目调试标准调试结果调试结论1水泵手动启动水泵启动并出水2手机是否收到水泵收到信息已启动的反馈信息3测量水泵电机电流在额定范围内且三相平衡4水泵手动停止水泵停止并停止出水5手机是否收到水泵收到信息已停止的反馈信息6手机控制水泵启动水泵启动并出水7手机是否收到水泵收到信息已启动反馈信息8手机读取设备状态与设备实际相同9水泵自动停止高水位自动停止10手机是否收到水位收到信息信息11手机是否收到水泵收到信息已停止的反馈信息12手机读取设备状态与设备实际相同13手机读取水位信息与水位实际相同14水泵自动启动低水位自动启动15手机是否收到水位收到信息信息16手机是否收到水泵收到信息已启动反馈信息17手机读取设备状态与设备实际相同18手机读取水位信息与水位实际相同19手机控制水泵停止水泵停止并停止出水20手机是否收到水泵收到信息已停止的反馈信息21手机读取设备状态与设备实际相同45 中职教师在职硕士学位论文4.3本章小结本章主要介绍了无人值守远距离饮水工程控制系统的调试,调试过程分为仿真模型调试和现场调试两部分,给出了调试的方法、步骤和调试的结果。同时也介绍了调试过程中出现的的问题及解决方法。46 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究结论本系统设计以GSM短信网络作为信息数据交互平台,只要有手机GSM网络覆盖的区域该系统便可正常工作,实现缺水地区远距离引水工程的自动化无人值守控制。目前该系统在河北省张家口市阳原县曲长城村的政府饮水工程中投入使用,该村距离饮用水水源地8公里,采用本系统稳定运行半年有余,不再出现蓄水池干涸和满溢的问题,彻底解决了村民的饮水管理问题,节约了水资源和电能。同时本系统设计简单,投资小,施工方便,运行稳定可靠,为政府实施的百姓饮水保障工程提供了建设管理思路。不过,由于抽水水泵功率较大,在电机启动瞬间对电网有一定冲击,有条件的地区可以将电机改为变频电机,实现变频调速控制。当然,如果要将控制系统改造为抽水量跟随用水量的变化而变化,需要在主程序的算法上进行进一步的优化,这也我下一步深入研究和探索的方向。47 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缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究GSM模块:SIM900A1个RTC后备电池1个麦克风接口1个耳机接口1个RS232选择接口1个RS232串口1个锂电池接口1个电源输入接口1个电源指示灯(蓝色)1个电源开关1个翻盖式SIM卡座1个SMA天线接口并配套小辣椒天线1个开机/关机按键1个网络状态指示灯(红色)SIM900A模块的所有IO口均用排针引出,方便使用三、编制依据1.大西洋泵业制造有限公司提供的说明书2.德飞莱ARMSTM32F103RBT6开发板配套说明书3.ALIENTEKATK-SIM900A模块配套说明书四、组织机构项目总负责人技术负责人电气负责人电子负责人设备操作人员电气操作人员五、调试前应具备条件及准备工作1.水泵系统所有设备、管道安装完成,并已通过验收签证。2.各控制模块已模拟调试完成。3.电机的绝缘电阻经过测量符合要求。55 中职教师在职硕士学位论文4.试运行所需投入的设备及系统阀门操作正常。5.动力电源可靠正常。6.水位检测单元的高低水位探针已经安装调整完成。7.各部分电气接线、控制和保护装置符合要求。8.水泵注水完成,防止干转,博坏机械密封。9.调试资料、工具、仪表、记录表格已准备好。六、试运行调试步骤1.采用手动控制方式启动水源地水泵,从地下抽水向用水地蓄水池注水;2.当用水地调试人员观察到,蓄水池水位超过高水位探针后,用电话通知水源地调试人员停止水泵抽水;3.用监控手机向用水地模块发送水位查询短信,观察是否反馈为高水位;4.经过一定时间的正常用水后,当蓄水池水位低于低水位探针时,观察水源地水泵能否自动启动;5.用监控手机向水源地模块发送设备工作状态查询短信,观察是否反馈为设备运行正常;6.经过一定时间抽水后,当蓄水池水位高于高水位探针时,观察书原地水泵能否自动停止;7.用监控手机向水源地模块发送设备工作状态查询短信,观察是否反馈为设备运行停止;8.当蓄水池水位位于高低水位探针之间时,用监控手机向水源地模块先后发送水泵启动和停止信息,观察水泵是否能按指令正常工作。湖州久智自动化技术有限公司2015年7月1日56 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究调试记录表57 中职教师在职硕士学位论文58 缺水地区农村无人值守远距离饮水工程控制系统的研究附录C59 中职教师在职硕士学位论文致谢在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师汪鲁才教授的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中,汪教授倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了汪教授悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢!60'