壓力變送器在物聯網水壓監測與遠程控制中應用

本文依托物聯網平臺，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，經過電流電壓轉換電路變為（0～5V）電壓，轉換后的電壓信號送入單片機模塊，經過單片機內部程序處理后，通過W5100網絡模塊連接至物聯網平臺。在網絡平臺上與手機界面上顯示壓力數據曲線與壓力值，撥動平臺與手機界面上相應的開關即可實現遠程控制。此外裝置可綁定微博（或者微信），當壓力異常時發送信息進行壓力異常報警。

1.引言

         傳統的變頻器恒壓供水系統反映了局部官管網運行狀態，但是，沒有和物聯網鏈接，無法把運行數據隨時發布到物聯網上，不適應物聯網+時代，采用大數據分析時無法提供實時數據。本文在原有變頻器恒壓供水控制系統的基礎上，依托物聯網概念，通過物聯網平臺實現物與物之間的信息交互。通過電腦端，手機端實現信息的在線實時監控與反向控制。

2.系統結構

基于物聯網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網絡通信模塊；

4)Yeelight開放的物聯網平臺；

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，感受壓力產生形變，經線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，經過電阻R3后轉變為電壓信號，經過運算放大器（電壓跟隨器）U2A后進行RC濾波，并且此環節R4，R5有消耗過電壓能量，抑制震蕩的作用，經過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A3,由單片機把模擬量轉換成數字量。再發送至物聯網平臺以曲線形式顯示。

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16MHz的晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。編程軟件采用Arduino IDE。編程語言用C語言。應用模塊以庫文件存在于IDE編程軟件中，使編程簡單化；可實現圖形化編程。與W5100連接可訪問互聯網。實現網絡監測及控制。由電源自動選擇電路、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電源經保護用二極管D1（反接時不燒毀），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，經自復式保險管（電流大于500mA的時候，該保險管會自動斷開，電流恢復到允許的范圍內后，保險管會自動恢復連接）提供5V電壓。外接電源VIN經分壓電阻分壓后加到運放LM358的3腳；當輸入電壓大于7V時，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，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，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，由USB口供電。LP2985-33DBV是線性穩壓器，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，非常大工作頻率是8MHz；4.5V時，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I/O腳的非常大輸出電流：40mA，Flash大小：32K字節，SRAM大小：2K字節，EEPROM大小:1K字節，時鐘頻率非常大為16M。

3.3 W5100網絡通信模塊

      網絡接口部分：

       W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，內部集成有10/100以太網控制器，集成了全硬件的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層（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不需要考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口（Socket）編程。W5100網絡模塊原理圖如圖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(負責單片機和物聯網通訊)、晶振電路（產生25MHZ振蕩頻率）、網絡接口RJ45（網線接口）組成。

        Arduino UNO板上W5100與主控芯片ATMEGA328P-AU通過SPI接口SS、MOSI、MISO和SCLK共四個引腳進行連接。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。　　SPI模式可以允許同時同步發送和接收8位數據，并支持4種工作方式：

      SPI工作方式簡介：4個接口信號為：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)、移位時鐘(SCK)、低電平有效的從設備使能信號(cs)。SPI非常大的特點是由主設備時鐘信號的出現與否來確定主/從設備間的通信。一旦檢測到主設備的時鐘信號，數據開始傳輸。

        W5100通過網絡變壓器與RJ45網卡接口相連接，RJ45再和路由器相連接。所以，以W5100構成的網絡模塊與Arduino單片機組合，可以很輕松的與物聯網平臺進行對接。

3.4 Yeelight開放的物聯網平臺

     在Yeelight物聯網平臺, 注冊賬號，創建設備及傳感器。壓力曲線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，物聯網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）點擊相應的開關實現遠程控制；（3）點擊壓力變送器將打開圖表顯示壓力曲線。

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，二極管為繼電器線圈的保護二極管。觸發方式為高電平出發，繼電器常開觸點連接在PLC輸入端口上，PLC輸出端口通過PID調節儀連接變頻器IRF、ACM端口，變頻器通過變頻和切換工頻/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)三臺泵已經實現“先開先停接入/退出；(3)一臺泵運行3小時，切換下一臺泵；(4)對泵有手動控制功能；(5)有報警功能；(6)當壓力穩定時維持；(7)壓力不足時增泵；(8)壓力超過設定時減泵。由于篇幅所限不再論述。

4.小結

     本文論述了“變頻恒壓供水+物聯網”，實現了物聯網水壓監測和遠程控制；并據此制作出“基于物聯網的水壓監測與遠程控制系統”，有一定的創新點。為使用大數據分析官網運行狀態成為可能，具有一定的應用推廣價值。