基于GSM的无人值守小型潜水泵站监控系统

夏鹤鹏+汤黎明

摘 要：基于GSM设计了小型潜水泵站监控系统，以单片机STC90C52为数据存储、运算及系统控制中心，以PCB8591模块和达林顿管为主要器件，设计了模拟量AD/DA转换和开关量控制的外围电路，通过单片机与GSM模块的串行通信实现数据交换，利用GPRS网的短信平台实现小型潜水泵站远程开机、停机和电动阀门控制以及泵站运行主要技术参数的短信查询。研究成果对实现偏远地区小型泵站无人值守具有重要的现实意义。

关键词：潜水泵站；单片机；GSM；控制与监测

中图分类号： TP277 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）32-177-2

0 引言

为了加强我国农村水利基础实施，“十二五”期间我国新建两万余座中小型泵站，其中小型潜水泵站因其结构简单而得到了广泛应用，它们在我国的农业丰产增收和民生工程中发挥了巨大作用。农村小型潜水泵站因其面大量广，规模小而分散且部分泵站地处偏远，人工管理不便。随着现代信息技术的快速发展，GSM/GPRS移动网络的建设与覆盖，为小型泵站无人值守提供技术平台。为了实现小型潜水泵站无人值守，笔者基于GSM移动网络短信平台设计了泵站监控系统。

1 潜水泵站监控的技术要求

本文主要介绍利用物联网技术实现对中小型泵站运行情况的远程控制与监测。主要远程开停机控制、相关运行参数检测、实时调节相关运行工况调节等功能。重点论述关键技术研究的重要组成部分、软硬件设计及远程控制与监测的实现等方面。

泵站主要技术参数中的模拟量由压力压差传感器采集，并经过AD/DA转换成数字量，开关量则是由达林顿管驱动中间继电器实现。系统的控制系统通过I2C总线的DA转换模块，并设计单片机与传感器之间的接口电路，基于GSM/GPRS技術的实现小型潜水泵站的变频调速、智能阀的开度调节等。

2 系统设计

2.1 系统主要功能

根据当前实际工作的需要，本系统能实现以下基本功能：

①泵站实现远程开停机控制；

②泵站运行工况相关参数的监测；

③泵站运行工况的调节；

2.2 远程监测与控制系统的总体框架图

泵站远程监测与控制的监控部分框架图如图1所示，由图可以清晰地看出单片机在整个过程当中的重要作用。单片机在泵站远程监测与控制过程当中能够实时的对泵站的运行机组进行开停机的操作，同时也对泵站运行工况进行监测与调节，单片机通过实时监测泵站的相关运行参数，将参数通过短信模块以短信的形式及时的发送到值班人员的手机中。这样值班人员可以观察相关的运行参数，通过GSM无线网络来发送指令给单片机，单片机通过判断短信模块的信号来对水泵站的机组的扬程、流量、转速等相关参数进行调节，充分实现了小型泵站无人值守远程监测与控制的功能。

3 关键硬件设备电路的设计[1—3]

3.1 新版西门子GSM模块TC35i介绍

TC35i西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3-4.8V，电流消耗——休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA（平均），可传输语音和数据信号，功耗EGSM900和GSM1800分别为2W和1W，通过接口连接器和天线连接器分别接至SIM卡读卡器和天线。SIM电压3V/1.8V，TC35i的数据接口通过AT指令课双向传输指令和数据，支持TEXT和PDU格式的短消息。

TC35i 由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF 连接器、天线接口等 6 部分组成。作为 TC35i 的核心基带处理器主要处理 GSM 终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

3.2 STC89c52单片机对TC35i模块的连接与控制

本课题只是利用GSM模块短信的接收与发送功能，因此只利用到TC35i模块的数据传输与接收接口。接口连接如图2所示，TC35i的18脚RXD、19脚TXD为TTL的串口通信脚，分别于单片机的RXD和TXD相连接。TC35i模块有40个引脚，通过一个 ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。

16～23为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和 DCD0。TC35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8 位数据位和 1 位停止位，无校验位，波特率在 300bps～115kbps之间可选，本系统默认为9600。其中TC35i 使用外接式SIM卡， 24～29为SIM 卡引脚，SIM卡同 TC35i是这样连接的：SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND 通过SIM卡阅读器与 TC35i 的同名端直接相连，ZIF 连接座的CCIN引脚用来检测SIM 卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。

3.3 单片机的其他电路连接

单片机的其他电路的设计与连接包括泵站开停机的控制、泵站运行参数的开关量输入和输出。针对上述设计的需要，本团队在系统加入了PCF8591AD/DA转换模块。本团队所用的PCF8591AD/DA转换模块是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0， A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无须额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。可以跟AT89C52单片机连接并运行，满足上述需求。开停机控制原理图如图3所示。PCF8591连接原理图如图表4所示。

4 GSM模块实现短信的收发功能[4～5]

4.1 短信的接收与发送流程图

新版西门子GSM模块接收和发送短信，过程如图5所示。首先必须初始化GSM模块，同时对模块中的串口速率、无线网络信号等进行检测，看其是否正常运行，之后设置GSM模块短信的模式，因为GSM模块短信模式分为TXT和PDU模式，因此应将模式设置为PDU模式。当系统完成一系列工作是系统进行处理短信的一系列工作，然后依次循环工作。

4.2 短信接收和发送的工作过程

TC35i的控制采用AT+xxx（xxx为相关指令）的方式实现。单片机发送正确的AT指令对TC35i进行短信的接收与发送。TC35i的模式有2中：TXT模式和PDU模式。本团队系统采用PDU模式来实现短信的接收和发送。TC35i运行后给单片机发送一条字符串，表示GSM模块已经运行，可以执行下一步的命令，接下来就可以通过AT指令控制其工作。

5 完整电路系统的运行

将单片机、GSM模块、PCF8591模块、直流继电器、传感器、小型潜水泵和控制电路板相互连接并接至各端的電源，打开电源保证各元件正常工作。当所有元件正常工作时，首先观察到GSM模块的指示灯从一灯到四灯依次被点亮，点亮完成后全部熄灭，二、三灯再被点亮后熄灭，此时手机会接收到GSM模块发出的Ready on的短信。当收到短信时说明此时的电路连接正常。接下来就能进行小型潜水泵的控制，从手机端发送K1指令，GSM模块二、三闪烁后收到指令，通过单片机和控制电路将直流继电器吸合接通小型潜水泵开关，水泵正常运行，手机接收到Run on的短信。当手机端发送K0指令时，GSM模块会给单片机发送关闭指令，断开继电器从而使水泵电路断电，水泵停止工作，手机会收到Run off的短信。上面这些步骤实现了水泵的开停机工作，下面介绍水泵相关参数的读取和控制。当手机端发送K3指令时，单片机会将PCF8591读取的相关数据传输给GSM模块，GSM模块再发送内容给手机，此时手机会接收到水泵的转速n（r/min）、扬程H（m）、水位差h（m）等相关参数信息。如果此时的某些参数不满足实验者的要求，实验者可以通过手机发送相关调节的参数的数值，单片机会将某一参数的数值自动调节实验者的设定值，以转速为例，本课题用sd0000～sd1500表示转速的调节范围，任意发送一条指令后水泵将会调节到相应转速，从而实现远程水泵实时参数的读取和调节。

6 结束语

基于AT89C52和TC35i模块利用物联网技术实现对中小型泵站运行情况的远程控制与监测的系统，将泵站的远程监测、远程控制、便捷管理等功能集成一体，本系统不仅具有实用性能强，覆盖区域广，可靠性能高，可移动等优势，而且能够降低小型潜水泵站的管理成本和认为管理失误率，提高泵站设备的运行效率和运行安全系数。本系统是基于无线网络控制，当今无线网络发达，成本较低，因此具有广阔的发展前景。

参 考 文 献

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