基于STM32的农村供水站监控预警系统研究

屠佳佳，李 莎，刘 锋

（1.浙江机电职业技术学院电气电子技术系，浙江 杭州 310053；2. 杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近年来，随着浙江省千万农民饮水工程的实施，一座座小型集中式农村供水站如雨后春笋般拔地而起。由于农村供水站数量多，地处偏远且分散，水利部门建成后，移交给乡镇或村集体进行后续管理，同时划拨管养经费，每个农村供水站配备1名现场管理人员，日常管理工作主要由水利部门负责监督[1-3]。

由于现场管理人员缺乏专业知识以及待遇不高等原因导致服务意识不强，乡镇或村集体疏于监督管理，水利部门面临人员少、范围大导致监督困难，使大量小型农饮水工程建成后处于管理薄弱的状态。存在不按时巡查、不按规定冲洗过滤罐、偷倒消毒药水以及顶替管理人员巡查等不规范现象，直接影响农村供水站的正常运行以及农村饮用水安全[4]。因此农村供水站的管理已经成为水利部门的难题。

为了解决这一问题，设计开发一套基于STM32单片机的农村供水站远程监控预警系统，用于农村供水站日常监督管理，以提高水利部门的管理能力与管理效率，同时保证农村饮用水安全。

2 系统设计

农村供水站规模较小，由管理房和储水池2部分组成，都在围墙内，以保证安全。管理房一般由2 ～ 3个房间组成，分别为消毒室、过滤室和办公室，放置电机、消毒、过滤设备、台账以及日常所需的物料器材等；储水池位于管理房附近，一般建成圆柱体形，顶部通常留有观察孔，供日常观察与取水检测用。农村饮用水一般将水库、山塘、溪道作为水源地，用水泵将源水引入农村供水站，再通过加药消毒、过滤，将处理后的水引入供水站的储水池中，供老百姓使用。因此农村供水站在农村饮用水安全工程中发挥着重要作用，必须加强管理。

根据农村供水站的生产工艺，包括大量的管理工作如日常巡查、消毒加药、过滤设备清洗、台账记录以及水泵、水质等安全工作，而且水利部门为农村供水站专门制定管理条例，现场管理人员是否按照管理条例实施管理，将直接影响农村供水站的正常运行以及农村饮用水的安全。在单站资金投入有限和满足农村供水站监督管理要求的情况下，研究设计基于STM32单片机的监控预警系统（见图1）[5-6]。

图1 系统设计框图

系统主要由传统设备和信息化设备组成。传统设备包括消毒柜、过滤罐和水泵，通过中间继电器、流量开关等元件转换后将消毒、过滤罐冲洗和水泵运行信号采集传输至服务器。信息化设备包括数据采集终端、无线传输模块、串口摄像头、门磁感应器、红外感应器、考勤设备、服务器接收软件等。系统设置2路摄像头，分别安装在管理房内和储水池观察口附近。管理房内的摄像头正对大门安装，主要监控现场管理人员是否是本人按时巡查，并利用门磁感应器触发实现图像抓拍；在储水池观察口附近安装另一个摄像头，利用红外感应器触发实现图像抓拍，用于监控储水池观察口附近的人员活动情况。考勤设备安装于农村供水站内部，当现场管理人员到水站巡查时，须按下考勤按钮，同时管理房摄像头进行图像抓拍。采集的考勤信号和抓拍的图像通过GPRS/CDMA无线传输模块，实时传输至服务器并保存。

3 系统硬件设计

3.1 数据采集终端

作为核心组成单元，数据采集终端是农村供水站监控预警系统的关键部分。由于资金投入有限，单站资金投入低以及适用性等原因，市场上已有的设备不能很好地满足本系统的需求，因此基于STM32研究开发一套数据采集设备。采用嵌入式架构，由STM32F103主芯片、RS485和RS232串口电路、模拟量输入模块、IO接口、SD接口、GPRS/CDMA模块等部分组成（见图2）。

图2 数据采集终端总体架构图

设备选用意法半导体推出的单片机STM32F103ZET6，是基于 Coretex - M3内核的32位ARM芯片系列，ZET6属于该系列的高容量芯片，片内Fash为512 KB，SRAM为64 KB，主频72 MHz，具备26位地址线和16位数据宽度，能够满足少量图像的缓存，有利于解决信道拥堵以及无线信号不佳时图像不能正常传輸的问题。STM32单片机最小系统见图3[7]，采用与传统的C51单片机相反的低电平复位，为使晶振更好地起振，将8 MHz晶振与2片陶瓷电容相连形成振荡电路，采用外部晶振是考虑到单片机运行时系统的稳定。

图3 单片机最小系统图

RS485串口电路采用SP3485芯片，符合RS - 485和RS - 422串行协议的+3.3 V低功耗半双工收发器，符合热门的行业标准。凭借Sipex的双极型CMOS工艺特性，可实现低功耗操作，不影响性能。在带负载情况下，SP3485实现最高10 Mbps的数据传输，满足RS - 485和RS - 422串行协议的电气规格。本系统中RS485接口与串口摄像头、水质监测设备连接，主要用于采集图像、水质数据，电路见图4。

图4 RS-485串口电路图

RS - 232串口电路采用SP3232芯片，在+3.0 ～ +5.5 V供压下，符合真正的EIA/TIA - 232 - F标准，满负载情况下，最小传输速率120 kbps，具有1 uA低功耗关断模式，并保持接收器活动状态，能兼容RS - 232接口，电源可低至+2.7 V。RS - 232接口用于设备的实验室调试以及相关参数设置等，电路见图5。

图5 RS - 232串口电路图

模拟量输入模块采用4 ～ 20 mA电流模块，可用于采集流量、水质等参数，主要为后期农村供水站功能提升改造预留功能。为了满足农村供水站现场复杂环境，采用工业级电流转电压专用模块，将输入电流信号转换为0.0 ～ 3.3 V电压信号后接入STM32单片机。该模块具有供电电压范围宽、稳定性高、线性度好等特点，采样电阻采用高精度色环电阻，精度高、温漂小。

IO接口电路包括IO输入和IO输出2部分。输入电路采用8通道光耦隔离设计[8]，1通道接入人员考勤信号；2、3通道分别连接门磁感应器和红外感应器，作为图像抓拍的现地触发信号； 4、5、6通道分别接入消毒、过滤罐正、反冲信号；7通道连接水泵信号；8通道预留备用。输出电路采用4通道继电器输出设计，1通道接消毒控制；2通道接水泵控制；3、4通道预留备用。

3.2 无线传输模块

由于站点分散，无法使用传统物联网实现农村供水站的组网，综合考虑信号的稳定性以及无线网络的安全性，本系统中无线模块采用 GPRS/CDMA模块，以直接租用运营商网络的方式实现组网。GPRS/CDMA模块采用华为公司生产的MG323和MC323，由于2种模块的外围驱动电路完全一致，可以随时更换。考虑到农村地区信号覆盖问题，有些村移动信号强，有些村电信信号强，灵活的设计更加有利于保证系统运行的稳定性。

3.3 串口摄像机

系统釆用尚鑫航SXH485 - V1串口摄像头，是一款具有视频采集和图像压缩功能、具有130万象素的CMOS摄像头，最大分辨率为1 280 × 960。采用标准的JPEG格式，与常用计算机完全兼容。同时，具备红外照明功能，能够实现自动照度补偿，在黑暗光线下仍能保持较好的图片质量。摄像头的接口为标准的RS - 485接口，能够方便地与各种计算机和嵌入式控制系统、数据传输系统相连，同时方便控制设备接入多个摄像头。支持的通讯速率为4 800、9 600、19 200、57 600、115 200 bps，可以通过命令配置。基本报文格式见表1。拍照并传输图像数据命令如下：0x90 0xeb 0x01 0x02 0x02 0x00 0x05 0x01 0x00 0x00。

表1 基本报文格式表

3.4 门磁感应器

为了保证图像抓拍的稳定性，门磁感应器的选型也很重要。考虑到农村供水站室内环境潮湿、工作状态以及抓拍灵敏度、稳定性等要求，选择本体材料为ABS，且绝缘电阻较大的常开型门磁感应器，具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、吸合功率小等突出优点，成为自动控制中的重要元件，在安防报警领域广泛采用。常开型门磁感应器由磁铁和磁簧开关2部分组成，当两者接近至一定距离时，磁簧开关闭合。磁铁部分安装在门扇上，磁簧开关采用支架式结构，安装在门梁上，当门扇打开至合适角度时使磁簧开关闭合触发摄像头抓拍图像，安装方便，稳定性高。

3.5 红外感应器

红外感应器基于普朗克辐射定律原理设计，由光学系统、检测元件和转换电路等组成，通过DC两线制连接至采集终端，电源支持范围为10.0 ～ 30.0 V。系统采用常开型红外感应器，即无物体遮挡时，感应器处于断开状态，有物体遮挡时，感应器处于闭合状态。红外感应器安装于储水池观察口上方，当有人靠近储水池观察口时，检测信号立即传送至采集终端，触发图像抓拍。

4 系统软件设计

4.1 主程序流程

农村供水站监控终端上电开启后，首先进入初始化程序，初始化结束后，终端会持续发送设备号给监控中心服务器进行注册，直至登录服务器。登录成功后，即等待数据发送，如果持续1 min没有数据传输，终端会发送心跳包给服务器，以防止设备掉线。

4.2 中断服务程序流程

如果产生现地触发或者有召测信号以及定时时间到，终端立即进入中断服务程序，发送各个端口采集到的数据至监控中心服务器，自动完成数据传输工作并返回主程序，其中现地触发的优先级最高，其次是服务器召测。系统可设置为同时向管理人员发送预警信息。

4.3 摄像头相关程序流程

摄像头相关程序流程包含摄像头参数设置流程以及图像抓拍、传输流程。由于GPRS/CDMA通信最大只支持1次上传1 500字节，抓拍的图像大小从十几KB到几百KB，只能通过压缩并分包上传。服务器接收到当前图像帧后，下发应答帧，收到应答帧后终端才上传下一帧，如果设定时间内未收到应答帧，终端重新上传当前帧，如果发送3次仍未收到应答帧，则抛弃此图像并重新注册设备。

5 结果分析

将监控终端安装于余姚市农村供水站进行测试，设备能够在上电初始化后立即进行注册，一般在15 s内即可登录监控中心服务器。登陆后定时发送心跳包，在现地触发、服务器召测、定时上传3种工作模式下稳定上传考勤、消毒、过滤罐冲洗、水泵运行等信号以及图像数据至监控中心服务器。为了有效监督现场管理人员是否按时、按标准到岗巡查，终端集成了供水站管理房进门抓拍、考勤以及消毒、过滤的时长监测等功能，如果某项指标不达标就会向现场管理员和上级管理部门负责人发送预警信息。

5.1 服务器数据接收软件

数据接收软件（见图6）主要包括侦听区、数据接收区、数据发送区、操作区以及设置区。通过数据接收软件可以显示终端发送上来的各项数据、图片以及服务器下发的各类指令，同时通过设置区完成设备编号的远程设置、召测以及信号显示等功能，并根据不同功能设置相关指令。

图6中接收区第1行REGI表示设备注册指令，00001表示设备编号；第2 ～ 5行HEBE表示心跳包指令；CONINIT表示数据定时上报指令，设备号后面为时间，＜ IN ＞11100101 ＜ /IN ＞ 表示有消毒信号、过滤罐正冲洗信号和水泵运行信号输入，无考勤信号、图像抓拍触发信号、过滤罐反冲洗信号，第8通道预留未用；＜ OUT ＞01111111＜ /OUT ＞ 表示消毒柜远程开启，＜ 485 ＞Z2.62/Y0.04/PH6.73＜ /485 ＞表示通过串口RS485采集的浊度2.62、余氯0.04、pH6.73三个水质参数，通过对比数据采集终端上报的水质数据与现场水质显示数据发现，两者基本一致，说明数据传输稳定可靠；CONMESU表示服务器召测上报，所测数据与前面一致；IOTRIG表示现地触发上报，＜ CON ＞IN7＜ /CON ＞表示第7位数据，即考勤信号上报。

图6 数据接收软件图

5.2 WEB软件平台

WEB软件平台采用MVC框架结构，主要由人员考勤、设备监测、统计报表、短信提醒、地图浏览、系统设置等模块构成。

人员考勤和设备监测模块均以日历方式显示。当有考勤信号时，显示考勤时间，点击有考勤信号的日历模块，能够显示抓拍的图像，可以有效记录现场管理人员巡查的真实情况，同时起到安防作用。设备监测包含消毒、过滤反冲等影响水质的关键数据，系统通过实时监测供水站运行过程来控制水质达标。

统计报表模块能够对各个供水站的历史数据进行保存并统计，不仅保证数据的真实可靠性，而且可以大大提高水利部门的管理效率和管理质量，同时为后期决策提供有效的数据支撑。

6 结 语

根据目前农村供水站在运行管理中存在的点多面广、地处偏远、管理薄弱且管理方式落后的现状以及相关管理规范和浙江省水利工程标准化建设要求，研究设计一套基于STM32单片机的农村供水站远程监控预警系统。系统运行稳定，实现对农村供水站运行管理中各个工艺流程、各项指标的有效监督，大大提高管理效率和管理质量，有利于保证农村饮用水安全，同时符合国家“乡村振兴”战略的要求。系统利用单片机开发数据采集终端，成本低廉，利用GPRS/CDMA无线模块传输数据，安全稳定，功能完善。得到余姚市水利部门的认可，具有一定的现实意义和推广价值。