一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于物联网的一体化预制泵站，基于物联网的一体化预制泵站系统结构有三个层次，分别是用来感知数据的感知层，处理数据传输的网络层，以及对数据进行计算和管理的应用层。一体化预制泵站系统结构以感知层为基础，利用不同类型的传感器对水位、水压、流量、用电量、图像数据等信号进行检测、转换与处理，并利用RS485等通信方式传输到单片机。网络层利用MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器。应用层通过手机客户端或网页版泵站管理系统实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。等功能。等功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统


[0001]本专利技术涉及泵站控制系统领域，具体是一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统。

技术介绍

[0002]农田水利灌溉过程中泵站发挥着重要作用。传统农业灌溉的泵站，是使用一个大型的水泵与各个管道相连接，使该大型水泵通过给各个管道输送水，这种灌溉问题较多，只适合大面积统一灌溉的时候使用，却无法针对部分小面积单独灌溉，难以满足复杂的种植环境做出多样化的灌溉方法，单一的计费模式也难以适用于不同环境下的灌溉需求，传统的泵站需要建专门的控制室，自动化及人性化调控程度不高，需求专人值守，前期投入和后期管理费用都较高，随着社会的发展，对智慧灌溉的应用愈加广泛，对智慧灌溉泵站的需求日益增长，因此有必要设计一种基于物联网的一体化农田水利灌溉泵站，针对传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题，进行创新研究。

技术实现思路

[0003]针对传统泵站在农田水利灌溉中的不足，本专利技术要解决的技术问题是传统泵站计费模式单一、操作复杂、管理困难的缺点，将物联网技术运用系统设计当中，使系统设备具有可靠、操作简单、计费准确、管理方便、适用范围广等特点，提供实现泵站自动化的解决方案。
[0004]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术一种基于物联网的一体化预制泵站，其特征在于包括以下步骤：
[0005]系统架构搭建：基于物联网的一体化预制泵站系统结构有三个层次，分别是用来感知数据的感知层，处理数据传输的网络层，以及对数据进行计算和管理的应用层；一体化预制泵站系统结构以感知层为基础，感知层以单片机为核心对水位，水压，流量，用电量，图像数据等信号进行检测，利用不同类型的传感器对信号进行转换、处理，并利用RS485等通信方式传输到单片机，网络层利用MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器，应用层通过手机客户端或网页登陆泵站管理系统实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。
[0006]感知层设计：感知层泵站设计是一体化预制泵站系统最重要的一部分，采用STM32F407单片机，基于MBED
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RTOS操作系统对不同类型的传感器逬行数据采集并对软启动器、摄像头进行控制，该系统采用了两种类型的传感器，利用Modbus总线协议读取软启动器参数、流量等数据，利用特定协议读取电表数据和图像数据，实现泵站取水、计量、图像检测、数据通信功能。
[0007]网络层和应用层实现：一体化预制泵站通GPR无线网络或互联网基MQTT协议与云数据中心进行通信，应用层软件在Visual Studio开发环境下使用C语言开发完成，主要实现了泵站运行数据的实时查看、远程管理、历史数据查询、报警条件设置等功能，用户可以
通过在电脑网页或者在手机APP登陆，进入泵站管理系统，实时查看泵站运行状态。
[0008]本设计采用电计量收费、水计量收费、时间量计费相结合方式进行去计量，当泵站处于取水状态时将流量数据以及电参数上传至数据中心，数据中心根据用户需求选择特定的计费方式进行计费，以此实现计费取水功能。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0010](1)本项目采用物联网思想设计并实现了一种一体化预制泵站系统，解决了传统泵站的计费模式单一、操作复杂、管理困难等问题，推动了水处理设备智慧化水务技术应用。
[0011](2)产品应用范围广，效果好，符合国家产业政策指导方向和环保政策的严格要求。
[0012](3)项目研发成功后，将有效推进企业产品结构调整，加速带动产业转型升级。
附图说明
[0013]图1为一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统的系统结构框图；
[0014]图2为一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统中系统硬件结构设计图；
[0015]图3为一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统中取水开开卡流程图；
[0016]图4为一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统中通信电路设计图；
[0017]图5为一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统中感知层泵站控制器软件流程图。
具体实施方式
[0018]下面结合具体专利技术对本专利技术进一步进行描述。
[0019]本专利技术采用物联网思想设计并实现了一种一体化预制泵站系统，该系统结构分为感知层、网络层、应用层，其中以感知层为基础；
[0020]如图2所示，本专利技术的感知层泵站控制器，感知层设计是一体化预制泵站系统最重要的一部分，系统采用了两种类型的传感器，所以有两种不同的传感器数据采集方式，水位和水压传感器采用的是4～20mA电流信号，因此水位和水压信号经过调理电路后通过单片机内置AD进行数据的收集，电表、摄像头、软启动器、流量计采用RS
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485接口与单片机进行通信，单片机利用Modbus总线协议读取软启动器参数、流量等数据，利用特定协议读取电表数据和图像数据，并将釆集到的数据保存到SD卡中。
[0021]泵站取水功能实现，启动泵站进行取水的方式有三种：刷卡开泵，网页端远程控制开泵，手机APP端远程控制开泵，刷卡取水时采用的是MFRC522读卡芯片来获取卡片信息，选用的取水卡是S50非接触式IC卡。S50卡成本低廉，便于大规模应用，但其采用的存储技术较容易被破解，所以不能在取水卡内直接写入明文信息，传统的加密算法的软件实现需要消耗过多资源，因此不适合运算能力和存储空间均有限嵌入式环境。
[0022]本设计采用的方法是开卡时首先采用Present轻量级加密算法对取水卡信息进行加密，然后为了方便将数据从服务器端传送到客户端再对数据进行Base64编码，开卡流程如图3所示。
[0023]Present加密算法属于分组密码算法，实际应用中需要对待加密数据进行处理，计
算关系为：
[0024][0025]当L实际的数据长度，当L不是8的整数倍时，需要在待加密数据后补X位0，N为待加密数据的组数，读卡芯片通过SPI接口将卡内数据传输到单片机，单片机对得到的数据解Base64编码，再用密钥对数据进行解密，最后从铁电存储器FRAM中查询刷卡用户是否合法，对合法用户执行相应的开泵取水操作。
[0026]电参数检测：电参数检测采取了选取了DTS541电表和ADE7878电参数芯片并用的方案，电表用于精确计费，同时用于校准ADE7878电参数芯片，电表可以提供电压、电流、有功、无功功率参数，但是这些参数不足以为电机提供保护，因此系统增加了ADE7878电参数芯片。
[0027]ADE7878可以为系统提供总有功和无功功率、视在电能、功率因数和电网频率等参数，ADE7878通过电压互感器以及电流互感器接入三相交流电，通过SPI接口将电参数发送给单片机，单片机通过计算电参数数据，来检测过压故障、缺相故障、逆向序故障等，实现对电机的保护。
[0028](3)图像数据检测:当有人进入供水室时，将导致红外传感器的輸出由高电平变为低电平，这将触发单片机的外部中断，此时单片机调用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统，其特征在于，包括：感知数据的感知层、处理数据传输的网络层、以及数据进行计算和管理的应用层；所述基于物联网的一体化预制泵站的感知层内部设置有单片机，所述单片机用以对水压、流量、用电量以及图像数据等信号进行检测，所述单片机的内补设置有：水位传感器、水压传感器；所述的水位传感器和水压传感器均采用的是4～20mA电流信号经过内置的调理电路后与所述单片机内置的AD进行数据的收集，所述单片机通过RS
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485接口外接电表、摄像头、软启动器、流量计，所述单片机利用Modbus总线协议读取所述软启动器参数、流量等数据，利用特定协议读取所述电表数据和图像数据，并将釆集到的数据保存到SD卡中；所述基于物联网的一体化预制泵站的网络层，利用MQTT通信协议将数据发送到云计算中心服务器；所述基于物联网的一体化预制泵站的应用层通过手机客户端或网页登陆泵站管理系统实现泵站用水数据的实时查看、泵站监控等功能。2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统，其特征在于，启动泵站进行取水的方式有三种：刷卡开泵、网页端远程控制开泵、手机APP端远程控制开泵；刷卡取水时采用的是MFRC522读卡芯片来获取卡片信息，选用的取水卡是S50非接触式IC卡；本设计采用的方法是开卡时首先采用Present轻量级加密算法对取水卡信息进行加密，然后为了方便将数据从服务器端传送到客户端再对数据进行Base64编码。Present加密算法属于分组密码算法，实际应用中需要对待加密数据进行处理，计算关系为：当L实际的数据长度，当L不是8的整数倍时，需要在待加密数据后补X位0，N为待加密数据的组数，读卡芯片通过SPI接口将卡内数据传输到单片机，所述的单片机对得到的数据解Base64编码，再用密钥对数据进行解密，最后从铁电存储器FRAM中查询刷卡用户是否合法，对合法用户执行相应的开泵取水操作。3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统，其特征在于，电参数检测采取了选取了DTS541电表和ADE7878电参数芯片并用的方案，所述电表用于精确计费，同时用于校准ADE7878电参数芯片，所述电表可以提供电压、电流、有功、无功功率参数，系统增加了ADE7878电参数芯片对电机提供保护；ADE7878可以为系统提供总有功和无功功率、视在电能、功率因数和电网频率等参数，ADE7878通过电压互感器以及电流互感器接入三相交流电，通过SPI接口将电参数发送给所述单片机，所述单片机通过计算电参数数据，来检测过压故障、缺相故障、逆向序故障等，实现对电机的保护。4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的一体化预制泵站控制系统，其特征在于，当有人进入供水室时，将导致红外传感器的输出由高电平变为低电平，这将触发所述单片机的外部中断，此时所述单片机调用所述摄像头进行拍照，图像数据存储将存储在SD卡中，同时将图片的存储路径信息通过MQTT协议上传到云数据中心，当所述应用层需要调取图片信息时，可通过手机APP或者Web端发送召测指...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡洪福，台流臣，刘钊，马洪浩，
申请(专利权)人：山东宏科水电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：