壓力變送器在物聯(lián)網(wǎng)水壓監測與遠程控制中應用

本文依托物聯(lián)網(wǎng)平臺，以Arduino uno單片機為控制核心，利用壓力變送器把水壓變換成（4～20ma）電流信號，經(jīng)過(guò)電流電壓轉換電路變?yōu)椋?～5V）電壓，轉換后的電壓信號送入單片機模塊，經(jīng)過(guò)單片機內部程序處理后，通過(guò)W5100網(wǎng)絡(luò )模塊連接至物聯(lián)網(wǎng)平臺。在網(wǎng)絡(luò )平臺上與手機界面上顯示壓力數據曲線(xiàn)與壓力值，撥動(dòng)平臺與手機界面上相應的開(kāi)關(guān)即可實(shí)現遠程控制。此外裝置可綁定微博（或者微信），當壓力異常時(shí)發(fā)送信息進(jìn)行壓力異常報警。

1.引言

         傳統的變頻器恒壓供水系統反映了局部官管網(wǎng)運行狀態(tài)，但是，沒(méi)有和物聯(lián)網(wǎng)鏈接，無(wú)法把運行數據隨時(shí)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)上，不適應物聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，采用大數據分析時(shí)無(wú)法提供實(shí)時(shí)數據。本文在原有變頻器恒壓供水控制系統的基礎上，依托物聯(lián)網(wǎng)概念，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現物與物之間的信息交互。通過(guò)電腦端，手機端實(shí)現信息的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監控與反向控制。

2.系統結構

基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監測與遠程控制系統由以下模塊組成：

1)傳感器檢測和電流電壓轉換電路模塊；

2)Arduino uno單片機為運行控制器模塊；

3)W5100網(wǎng)絡(luò )通信模塊；

4)Yeelight開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)平臺；

5)電腦或手機端檢測與控制：

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 電流電壓轉換電路

    電流電壓轉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，它的內部有集成電路測量膜片，感受壓力產(chǎn)生形變，經(jīng)線(xiàn)性及溫度補償電路轉換成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)行倍壓轉換，即VOUT=2VIN.輸入5V電壓，8腳得到10V電壓作為運算放大器LM324的電源電壓。傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過(guò)電阻R3后轉變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過(guò)運算放大器（電壓跟隨器）U2A后進(jìn)行RC濾波，并且此環(huán)節R4，R5有消耗過(guò)電壓能量，抑制震蕩的作用，經(jīng)過(guò)U2B后在U2C的輸入端構成同相加法器，調節精密可調電阻RP1可根據輸入信號調節輸出電壓范圍（LM324 8腳調至0～5V）。送Arduino UNO R3單片機模擬輸入端口A(yíng)3,由單片機把模擬量轉換成數字量。再發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺以曲線(xiàn)形式顯示。

3.2 Arduino uno單片機為運行控制器模塊

    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)復位按鈕。編程軟件采用Arduino IDE。編程語(yǔ)言用C語(yǔ)言。應用模塊以庫文件存在于IDE編程軟件中，使編程簡(jiǎn)單化；可實(shí)現圖形化編程。與W5100連接可訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。實(shí)現網(wǎng)絡(luò )監測及控制。由電源自動(dòng)選擇電路、供電電路、單片機電路、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)保護用二極管D1（反接時(shí)不燒毀），由NCP1117ST50T3G低壓差正電壓穩壓器變成5V輸出。

3.2.2 電源自動(dòng)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)自復式保險管（電流大于500mA的時(shí)候，該保險管會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)，電流恢復到允許的范圍內后，保險管會(huì )自動(dòng)恢復連接）提供5V電壓。外接電源VIN經(jīng)分壓電阻分壓后加到運放LM358的3腳；當輸入電壓大于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管處于導通狀態(tài)，由USB口供電。LP2985-33DBV是線(xiàn)性穩壓器，負責把5V電源轉變成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字節的Flash,支持自擦寫(xiě)功能。512字節EEPROM和512字節SRAM。

2)內置Boot-Loader功能(Arduino Uno引導加載程序)。

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，Flash大?。?2K字節，SRAM大?。?K字節，EEPROM大小:1K字節，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內部還集成有16KB存儲器用于數據傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)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（三端集成穩壓芯片L1117T-3.3V把5V電壓變成3.3V供W5100和RJ45使用）、W5100電路(負責單片機和物聯(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(xiàn)接口）組成。

        Arduino UNO板上W5100與主控芯片ATMEGA328P-AU通過(guò)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范，也是一種單片機外設芯片串行擴展接口?！　PI模式可以允許同時(shí)同步發(fā)送和接收8位數據，并支持4種工作方式：

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

        W5100通過(guò)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構成的網(wǎng)絡(luò )模塊與Arduino單片機組合，可以很輕松的與物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行對接。

3.4 Yeelight開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)平臺

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

3.5 電腦或手機端檢測與控制

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

         （1）登錄手機端Yeelink賬號；（2）點(diǎn)擊相應的開(kāi)關(guān)實(shí)現遠程控制；（3）點(diǎn)擊壓力變送器將打開(kāi)圖表顯示壓力曲線(xiàn)。

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(xiàn)圈的保護二極管。觸發(fā)方式為高電平出發(fā)，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)連接在PLC輸入端口上，PLC輸出端口通過(guò)PID調節儀連接變頻器IRF、ACM端口，變頻器通過(guò)變頻和切換工頻/變頻控制電機 轉速,達到控制水壓，并配合PLC切換三臺電機實(shí)現恒壓供水。

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)低恒壓值運行，保障生活用水，高恒壓值運行，保障消防供水；(2)三臺泵已經(jīng)實(shí)現“先開(kāi)先停接入/退出；(3)一臺泵運行3小時(shí)，切換下一臺泵；(4)對泵有手動(dòng)控制功能；(5)有報警功能；(6)當壓力穩定時(shí)維持；(7)壓力不足時(shí)增泵；(8)壓力超過(guò)設定時(shí)減泵。由于篇幅所限不再論述。

4.小結

     本文論述了“變頻恒壓供水+物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現了物聯(lián)網(wǎng)水壓監測和遠程控制；并據此制作出“基于物聯(lián)網(wǎng)的水壓監測與遠程控制系統”，有一定的創(chuàng )新點(diǎn)。為使用大數據分析官網(wǎng)運行狀態(tài)成為可能，具有一定的應用推廣價(jià)值。