基于无线通信的液位远程监控系统

聂茹

基于无线通信的液位远程监控系统

聂茹

在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的研究对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。在过去，液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示，工作人员必须到工业现场操作这些仪器，且单片机功能十分有限，只能完成一些相对简单的操作。随着无线通信技术的发展，无线通信技术在工业控制领域的应用日趋广泛，基于无线通信的远程监控系统实现远程监测、控制和管理的有效集成，能及时了解现场信息，快速进行决策，并省去了很多人力。本系统设计了一个基于无线通信的液位远程监控系统，将无线通信技术与液位测量相结合。选用压力传感器对液位进行测量，采用AT89S52单片机作为中央处理单元，对液位信号进行采集、数据处理、显示、报警等工作。

无线通信；报警器；液位；单片机；压力；传感器

0　引言

我国工业控制界对无线实时监控系统的研究工作始于90年代初期，由于当时无线射频技术与国外相比具有极其巨大的差距，使得采用国内技术所设计的系统可靠性、稳定性极差，国内无线通信技术最高的电子部第50所和电子部第36所，其所设计系统的均采用新西兰大吉无线电台，而硬件平台清一色采用单位片机技术，但均未形成具有核心竞争力的产品。由于公共无线数据通信平台的大量搭建，降低了开发无线实时监控系统的技术门槛，但同时亦提出了更高的其它方面的技术。自从1987年我国引入蜂窝移动通信以来，用户数量一直保持高速地增长，尤其在最近十年中，移动通信技术快速发展，通信网已实现从模拟网向数字网的转换。中国移动和中国联通公司通过近些年来不断拓展网络建设，优化网络结构，已经建立了覆盖全国所有大中城市，绝大部分县市乡镇、农村和偏远地区的公用性移动网络，能够为用户提供语音、数据、视频和多媒体等全面的综合性服务。这些服务可以充分满足无线远程监控系统在数据传输通信过程中对通信媒介质量、数据传输速度、网络稳定性以及通信成本方面的种种要求。移动通信技术的发展空间十分广阔，将移动通信技术应用于无线远程监控领域，为无线远程监控系统的发展，应用领域的拓宽起到了不断促进的作用[1]。

本系统设计了一个基于无线通信的液位远程监控系统，将无线通信技术与液位测量相结合，实现远程监控系统的设计。

1　系统硬件设计

1.1液位远程监控系统的总体方案设计

本设计设计了基于压力传感器的远程液位监控系统，以AT89S52单片机为核心，配合传感器等外围电路完成信号的采集，液位高度的显示，声音报警等功能。通过压力传感器检测到液位高度，如果超过或低于预设液位高度，则将发出警报，系统总体方案框图如图1所示：

图1　液位远程监控框图

1.2液位远程监控系统的硬件电路设计

1.2.1MCU的设计

本设计中使用的是AT89S52单片机。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微控制器，内部具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片内Flash存储器可在线重新编程，亦适于通用的编程器。通用的8位CPU与在系统可编程 Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景[2]。

1.2.2压力传感器设计

本设计采用BH350-3A型康铜金属箔电阻应变片，压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值产生变化。电桥失去平衡，在电桥间产生微小电位差。压阻式传感器的满量程输出信号为 70～350mV不等,其输出阻抗很高,这就要求放大电路须有更高的输入阻抗,不从传感器输出端吸收电流,以免破坏传感器的工作状态。

1.2.3信号处理模块设计

本设计中采用LM324芯片，LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，内部包含4组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，4组运放相互独立。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益，失调电流、电压、噪声和漂移都很小[3]。

1.2.4转换模块设计

本设计采用LC2543芯片，LC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

1.2.5无线通信模块设计

本设计采用了NRF2401芯片，NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4 ～ 2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使NRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。NRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

NRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。NRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。电路图如图2所示：

图2　NRF2401无线通信模块

1.2.6显示模块设计

显示模块由液位显示电路和液位状态指示电路组成。液位值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示被测数值，使用三极管8550进行驱动，使数码管亮度变亮，便于观察测量液位状态指示电路由红、绿两个LED分别指示。

1.2.7报警模块设计

由AT89S52的21脚实现声音报警控制。当有人进入或可燃性气体浓度、温度超过限定值时，三极管导通，扬声器发出鸣叫报警。当然在实际应用中，蜂鸣器的报警声音不能满足要求，可以改用其他功率较大的报警器件，如大功率警铃等可以满足要求。

1.2.8电源模块设计

由于52单片机，TLC2543和电路中其他模块需要5V电源才能正常工作，所以需要设计一个5V直流电源。我国市电为频率为 50HZ的 220V交流电，为了能得到可用的DC5V电源，需要将220V交流电经降压变压器降为12V的低压交流电，经桥式整流器和电容滤波后得到 10.8V（12*0.9V）的直流电，但这个直流电不太稳定，为了使电路稳定工作，可以在10.8V直流电后面加一个7805集成稳压块和一个相对较大的电容作为储能用，使输出电压不会因为负载的变化而产生太大纹波。

电源要求3.3V-4.8V，通话时瞬态峰值电流2A以上。可接电池或其他直流电源。电源对模块的工作非常重要，如果不能够严格按照要求，则可能造成模块的非正常关机。由于模块是一个独立运行的计算机小系统，所以在正常情况下必须使用AT指令“AT^SMSO”来关闭模块，同时必须监测模块VDD引脚，确认模块关机后才能切断电源。如果系统会经常断电，则一定要有备用电池，以保证模块的正常关机流程。在此设计的电源为5伏后加一个TR1972-33，这样出来的电压大约4.4伏，然后接上一个470微法的电解电容。具体电路如图3所示：

图3　电源模块

2　系统的软件设计

2.1主程序设计

主程序负责系统的初始化及任务的创建，基本流程如图4所示：

图4　主程序流程图

主控单元的软件设计主要包括定时中断模块，数据采集模块，数据传输模块等。系统开始运行时，需人为进行开启，系统会定时采集水位数据，在传感器将水位数据转换成电压数据传输到单片机后，单片机需要对数据进行处理将其还原成水位数据并进行发送。主程序开机就在不间断的循环，永不停止，直到掉电。程序在各个部分不会停下来等待某一部分的结果，而是继续运行到下一个循环再来查询是否得到了相应结果，是则马上处理，否则继续循环。这种运行机制保证了程序执行的准确可靠，尤其对于需要周期性采样的系统[4]。

2.2数据采集子程序

数据采集子程序在主程序接收到启动数据采集过程命令字后运行。为提高水位采样信号的真实度，本系统利用程序对水位信息在每10分钟连续采样5次，然后将采样值从小到大排队，再取中间值为真实信号。在实际应用中，为了准确测量，一般在水库中投放多个采集点，可在软件设计中进行输入端的选择，得到不同地点的水位数据。

2.2A/D转换程序

接收模块接收到的信息要经过 A/D转换，其主程序中将会调用A/D转换程序，A/D转换程序流程图如图5所示：

图5　A/D转换程序流程图

3　总结

远程液位监控系统在现实工业生产中非常有前景的一项设计。本设计在了解了远程液位监控系统应用背景及发展现状之后，提出了基于 MPXM2010GS传感器和 AT89S52单片机为控制核心的液位监控系统的总体方案。本设计主要内容包括液位远程监控系统的硬件和软件设计。硬件方面完成了基于压力传感器测量电路、单片机控制电路、LCD数码显示器电路、按电源电路的设计。软件方面完成了单片机控制程序、显示程序、程序的设计，并给出了相应的程序流程图。通过硬件和软件的结合，实现了基于压力传感器对液体液位测量、读取并加以显示报警等功能。

[1] 周光彬，曾孝平.GSM短信息智能控制器的设计与实现[J].微计算机信息，2007，(1):24-25

[2] ZhouGuangbin,ZengXiaoping.Designand implementation of GSM short message intelligent controller [J]. Micro computer information，2007，（1）: 24-25

[3] 张兢，路彦和.基于 GSM 的移动通信增值业务的无线监控系统[J].微计算机信息2010，(1):217-219.

[4] 2、Zhang Jin,Lu Yanhe. Wireless monitoring system based on GSM for mobile communication increment service [J]. Micro computer information，2010，（1）：217-219

[5] 罗旭.基于无线通信技术的物资计量数据采集监控系统[J].太钢科技，2006，(3)：49-52

[6] LUO Xu. Data acquisition and monitoring system based on wireless communication technology [J]. Taiyuan Science and technology，2006，（3）：49-52

[7] 钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计[J].现代电子技术,2009,32(2):51-53

[8] Zhong Xiaoqiang. Liquid level controller design based on single chip microcomputer [J]. Modern electronic technology，2009,32（2）：51-53

Liquid Level Remote Monitoring System Based on Wireless Communication

Nie Ru
(Guangzhou College of South China University of Technology,Guangzhou 510800,China)

Liquid level is a very common object in industrial process control,so the monitoring and control of it is an essential part of the system function. The position of liquid level directly affects the security of industrial process control. It would lead to dangerous consequences if the liquid level was out of range. In the past,liquid level monitoring devices mostly used single-chip to realize point-to-point control and display so that the working staffs must operate the instruments in the industrial field. And at the same time,the function of single-chip is very limited,so it can only complete some relatively simple operations. With the development of wireless communication technologies,the use of wireless communication technology in the field of industrial control is increasing. The remote monitoring and control system based on wireless communication for the effective integration of remote monitoring,control and management can inform the scene information timely and make decisions quickly by which it can save a lot of manpower. This paper designs a remote monitoring system of the liquid level based on wireless communication,it combines the wireless communication technology with liquid level measure. The system selects the pressure sensor for liquid level measurement,and then it uses AT89S52 single-chip as the central processor unit to do the work to the liquid level signals,such as acquisition,data processing,display,alarm and so on.

Wireless Communication; Divulging Alarm; Liquid Level；Microcomputer Unit; Pressure Sensor

TN91

A

1007-757X(2016)03-0067-03

聂 茹（1982-05），女，江西，华南理工大学广州学院电子信息工程学院，硕士，讲师，研究方向：智能控制，广州，510800

（2015.10.13）