基于RFID技術的水泵集群監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

薛晨洋

（蘇州希格瑪科技有限公司，江蘇 蘇州215006）

0 引言

水泵在生活中的應用越來越廣泛,除了農(nóng)業(yè)灌溉，工業(yè)取水等用途，像消防水泵房，高建筑居民水泵房也無處不在，這就導致水泵的修理與維護問題越來越突顯的重要。 水泵測試的方法已經(jīng)有很多,包括使用儀器進行參數(shù)測量，使用虛擬儀器對其進行測試。 但是往往實施起來比較麻煩,成本較大。 很多問題如果能及早的發(fā)現(xiàn),那么維修起來會比較方便，成本與代價也較低。 這就要求能夠對水泵的運行狀態(tài)進行實時的不斷的監(jiān)測，但水泵房一般不具備接入互聯(lián)網(wǎng)條件，無法實現(xiàn)遠程測控功能，解決這一問題對于水泵的安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。

本文實現(xiàn)了水泵集群監(jiān)測管理系統(tǒng)。除了對水泵狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括監(jiān)測電流，電壓，水位，問題等信息，還對水泵設計了安全保護，采用RFID 技術來設計其保護板，并采用以太網(wǎng)傳輸?shù)焦芾砥脚_，實現(xiàn)了水泵集群的遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主要分為以下幾個部分：

（1） 硬件設計主要包括水泵RFID 保護板硬件設計和RFID 閱讀器硬件設計兩個部分。

（2）RFPMS 系統(tǒng)嵌入式軟件包括水泵保護板程序和RFID 閱讀器程序，在設計時將軟件劃分為硬件模塊驅動、RF 通信協(xié)議、應用邏輯控制幾個部分，力求設計邏輯清晰、功能完善。

（3）RFPMS 系統(tǒng)應用軟件分為三大部分，偵聽軟件、數(shù)據(jù)庫以及監(jiān)測軟件。

1 相關工作

水泵測試發(fā)展：

泵測試技術的研究與發(fā)展對于水泵基礎理論的研究和發(fā)展、水泵性能的改進、水泵設計方法的創(chuàng)新等都有著極其重要的作用。 尤其實在使用過程中的維護這一過程，測試水泵顯得尤為重要[1]。

歐、美等發(fā)達國家對泵測試技術的研究起步較早，測試系統(tǒng)的產(chǎn)品已比較成熟，對于特殊泵的研制、泵的特性測試等方面國外技術更加成熟。 1961 年，英國國立工程實驗室（NEL）就建立了自己的水力試驗臺，該試驗臺適用于水泵和模型水輪機（最大直徑500）的性能試驗。 最近，西德KSB 公司和瑞士蘇爾康公司水泵試驗臺均采用了計算機自動化測試系統(tǒng)， 例如英國Cussons Technology 公司生產(chǎn)的P6250齒輪泵、軸流泵、離心泵和活塞泵測試平臺等。但這類水泵測試裝置仍存在如數(shù)據(jù)處理功能薄弱、缺少嵌入式數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、效率不高等缺陷[2]。

國內傳統(tǒng)的測試方法采用各種儀器來測試各參數(shù)手段落后、測試儀表眾多、測試精度差、勞動強度高、測試效率低等缺，成本較大[3]。 也有采用虛擬儀器來測試水泵，基于虛擬儀器技術的水泵性能檢測專家系統(tǒng),實現(xiàn)對各種信號的實時采集、分析和處理,運用虛擬PID 控制器實現(xiàn)了流量自動控制, 利用LabView 多項式擬合模塊對性能測試，利用圖形編程化來編寫軟件[3]。最近為了能夠實現(xiàn)遠程化監(jiān)控，基于物聯(lián)網(wǎng)技術來對水泵站進行遠程監(jiān)控[5],基于PLC 控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的更新改造，采用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了泵站無人值守的目的[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計主要包括水泵RFID 保護板硬件設計和RFID 閱讀器硬件設計兩個部分。

2.1 水泵RFID 保護板硬件設計

2.1.1 主控芯片

在嵌入式產(chǎn)品設計中，器件選型是一個非常重要的環(huán)節(jié)，因為它直接影響著產(chǎn)品的最終性能。 本文設計的水泵RFID 保護板主控芯片帶有工作在2.4GHz ISM 頻段的RF 收發(fā)器模塊，ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學、醫(yī)學三個主要機構使用，允許任何人隨意地傳輸數(shù)據(jù)，但是對所有的功率進行管制，使得發(fā)射臺只有很短的距離，因而不會相互干擾,并且兼容IEEE 802.15.4 標準。 因此，本文選擇了Nordic 公司生產(chǎn)的NRF24LE1 作為保護板主控芯片。 nRF24LE1 具有以下突出優(yōu)點:（1）功耗低，（2）體積小。

NRF24LE1 主控芯片的最小系統(tǒng)主要包括電源模塊、 晶振模塊、復位模塊，程序燒錄模塊和RF 通信模塊。

2.1.2 保護模塊

保護模塊主要實現(xiàn)水泵運行過程中的監(jiān)測以及保護功能，確保水泵正常工作狀態(tài)。 主要功能包括：水位壓力監(jiān)測保護、過電壓保護、過電流保護以及溫度控制保護。

本系統(tǒng)采用KYS2003 作為壓力傳感器，AD620 作為信號放大器，用ADC0809 作為A/D 轉換器。 電參數(shù)的采樣需要輸入ABC 三相電壓和電流， 綜合功能、 可操作性、 性能等方面， 我們綜合考慮選用ATT7022B 作為檢測芯片。

電池組在工作當中工作電壓不穩(wěn)定，例如機械上電，充電器接入，負載連接等等都護造成電壓的較大變化。 為了保護系統(tǒng)的可靠性，設計中在電路的關鍵部分采用了瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，作為電路保護部分，TVS 管使用時與被保護設備并聯(lián)使用， 具有極快的相應時間和相當高浪涌吸收能力。 可以保護電路免受靜電、負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓以及感應雷所產(chǎn)生的過電壓的傷害。

2.2 RFID 閱讀器硬件設計

2.2.1 主控芯片模塊

RFID 閱讀器設計用來實現(xiàn)水泵信息數(shù)據(jù)的采集與上傳。 在具體功能上，RFID 閱讀器能夠發(fā)送低頻喚醒信號來喚醒附近的RFID 保護板， 之后通過RF 模塊與之取得數(shù)據(jù)通信。 之所以通信頻率選為2.4GHz 頻段，是因為高頻信號傳輸距離遠，信號穩(wěn)定，比較適合用來作為數(shù)據(jù)傳輸通道[6]。 而125KHz 低頻信號穿透力強，接收芯片能夠放置在密封容器內部，同時功耗可以維持在μA 級別以下，長時間待機也不會消耗太多的電能。 所以低頻喚醒芯片比較適合用在RFID 節(jié)點上面。 閱讀器硬件模塊框圖如圖1 所示。

圖1 閱讀器硬件模塊框圖

2.2.2 低頻喚醒信號發(fā)生模塊

低頻喚醒信號用來喚醒AS3933 芯片， 是在125KHz 載波的基礎之上， 通過編碼調制產(chǎn)生的。 具體實現(xiàn)方式是由主控芯片LM3S6965中的PWM 模塊用來產(chǎn)生125KHz 載波， 通用IO 口輸出調制信號波形，最后由與門將兩者結合產(chǎn)生低頻喚醒信號，使用TC4422 芯片將3V 的125KHz 信號轉化為12V，使其有足夠的能量來驅動喚醒天線。

圖2 TC4422 原理圖

2.2.3 RF 模塊

RFID 閱讀器高頻通信模塊采用NRF24LE1 芯片作為RF 無線數(shù)據(jù)收發(fā)器，其主體設計參見鋰電池RFID 保護主控芯片最小系統(tǒng)硬件設計。為了增大NRF24LE1 無線信號覆蓋范圍，RFID 閱讀器增加了一款無線信號功率放大芯片CC2591。

3 RFPMS 系統(tǒng)嵌入式軟件設計

3.1 軟件架構

為了提高嵌入式軟件模塊通用性，本文設計時參考驅動程序設計的分層模型，即將驅動分為硬件相關層PDD(Platform Dependent Driver)和硬件無關層MDD（Model Device Driver）。 PDD 層是和硬件平臺相關的代碼，根據(jù)具體硬件模塊的功能和特點，實現(xiàn)基本的驅動功能。MDD層實現(xiàn)的是和平臺無關的功能，具有可復用特性，MDD 層主要負責邏輯處理這一部分，硬件功能則通過調用PDD 層中的功能函數(shù)實現(xiàn)。 應本章將水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分為三個部分：硬件模塊驅動、RF 通信協(xié)議、應用邏輯控制。 其中硬件模塊驅動屬于PDD 層，為上層提供硬件模塊的基礎功能。 RF 通信協(xié)議和應用邏輯屬于MDD 層，負責實現(xiàn)軟件控制邏輯和通信協(xié)議接口。圖3 為水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分層框架。

圖3 水泵管理系統(tǒng)嵌入式軟件分層框架

3.2 驅動程序設計

硬件模塊驅動屬于嵌入式軟件結構中的PDD 層， 任務是根據(jù)具體硬件模塊功能，編寫驅動軟件，為MDD 層提供功能函數(shù)調用接口。硬件模塊驅動部分包括RF 模塊驅動，低頻喚醒模塊模塊，水泵保護模塊驅動，數(shù)據(jù)存儲模塊驅動，實時時鐘模塊驅動和網(wǎng)絡模塊驅動等。

3.3 保護板-閱讀器通信協(xié)議設計及實現(xiàn)

水泵RFID 保護板將水泵運行過程中產(chǎn)生的各種事件信息（例如溫度，過流大小，水壓大小等等信息）以固定的幀格式保存至EEPROM數(shù)據(jù)芯片， 為水泵的管理與故障診斷提供依據(jù)。 除事件記錄之外，EEPROM 數(shù)據(jù)芯片中也存儲有當前水泵的序列號、 水泵工作時間、水泵使用時間等等信息。EEPROM 中存儲的信息數(shù)據(jù)可為水泵故障診斷和生命周期管理，安全防盜提供重要的判斷依據(jù)。 EEPROM 中存儲的事件記錄幀結構包括一個字節(jié)的編號，八個字節(jié)的時間信息，一個字節(jié)的事件類型，以及事件發(fā)生時的電壓(mV)、電流(mA)、電量(mAH)數(shù)據(jù)，最后是一個校驗字節(jié)。保護板-閱讀器采用如表1 所示的命令幀結構，主要包括通信地址、操作命令以及數(shù)據(jù)等部分。 在通信過程中，雙方將檢測協(xié)議棧中目的地址是否與自身匹配，如果不匹配則作丟棄處理。 幀檢驗采用逐字節(jié)異或校驗方式來確保數(shù)據(jù)正確性。 表2 列出了協(xié)議支持的操作命令。

表1 閱讀器保護板協(xié)議幀格式

表2 協(xié)議命令類型及說明

4 RFPMS 系統(tǒng)應用軟件設計

將RFPMS 系統(tǒng)應用軟件分為三大部分，偵聽軟件、數(shù)據(jù)庫以及監(jiān)測軟件。 數(shù)據(jù)交換軟件和監(jiān)控軟件這兩部分通過數(shù)據(jù)庫進行通信，偵聽軟件部分負責服務器與閱讀器之間的通信，監(jiān)聽指定端口是否有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鞫耍粲袛?shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鞫?，則將數(shù)據(jù)按照預定格式進行解析，然后存放到數(shù)據(jù)庫中；監(jiān)控軟件負責從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)并且提供友好的人機界面供管理水泵人員實施查看或者控制水泵狀態(tài)。

4.1 監(jiān)測軟件設計

在監(jiān)測軟件的設計上，為了實現(xiàn)“高內聚、低耦合”的特點，故采用了分層開發(fā)的思想，將監(jiān)測軟件分為三層，通常意義上的三層架構就是將整個業(yè)務應用劃分為：表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。 監(jiān)測軟件結構圖如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測軟件結構圖

4.2 心跳包與應答機制

閱讀器和服務器進行通信過程中， 如果長時間沒有數(shù)據(jù)通信，那么有可能閱讀器已經(jīng)和服務器端斷開了鏈接，這是由于通信服務商提供的服務的限制問題造成的。

4.3 偵聽軟件設計

偵聽軟件是服務器端軟件與閱讀器模塊之間的通信媒介，我們將偵聽軟件劃分為四個功能，采用多線程的方式，每一個功能都在單獨的線程中完成， 當一個線程必須等待的時候，CPU 可以運行其它的線程而不是等待，大大提高了程序的工作效率。

5 結果

本系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)查詢功能，如圖，選擇2014 年3 月4 日，點擊查詢，這個天的所有狀態(tài)都被顯示出來，這是因為每個時間點的水泵狀態(tài)都會被偵聽軟件存儲到數(shù)據(jù)庫中，所以當監(jiān)控軟件需要查看歷史狀態(tài)時，只需讀取數(shù)據(jù)庫即可，如圖5。 監(jiān)視界面提供了對每一臺水泵的電流、電壓、水位和溫度的實時監(jiān)測。 可實現(xiàn)電壓、電流、溫度等。 參數(shù)的實時和歷史趨勢曲線顯示， 對某一時刻的參數(shù)變化進行查詢，如圖6 所示，當選擇監(jiān)測的變量為電壓時，點擊查詢時命令由軟件發(fā)出存入數(shù)據(jù)庫，由偵聽軟件讀取該下發(fā)命令進行一定組幀后經(jīng)過網(wǎng)絡下發(fā)給閱讀器。 閱讀器內部傳輸由RFID 模塊轉發(fā)給各個水泵控制板，各個水泵控制板再將當前電壓狀態(tài)發(fā)送上來，經(jīng)過一定的傳輸和解析后發(fā)送給服務器，監(jiān)測軟件再讀取數(shù)據(jù)庫，即可獲知當前電壓狀態(tài)。再將電壓值進行描點繪圖，于是在界面上就會出現(xiàn)電壓的曲線圖了。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

圖6 狀態(tài)監(jiān)測界面

6 總結與展望

本文所設計的RFPMS 系統(tǒng)從功能上主要包括三個方面。

（1）水泵的狀態(tài)采集，通過控制板上的多個傳感器實時采集水泵的狀態(tài)信息， 結合物聯(lián)網(wǎng)中的RFID 技術，實現(xiàn)了水泵控制板的無線訪問

（2）是水泵的狀態(tài)監(jiān)視，將采集到的數(shù)據(jù)由閱讀器通過Internet 模塊傳輸至服務器端供檢測軟件使用。

（3）是水泵的狀態(tài)控制，通過服務器端的監(jiān)測軟件我們可以方便對水泵的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，當發(fā)現(xiàn)水泵的狀態(tài)存在異常時，可以直接通過監(jiān)測軟件發(fā)送命令至水泵控制板以達到控制水泵狀態(tài)的目的。

在下一階段中可采用ZigBee 技術， 將水泵集群進行自組網(wǎng)，使得水泵節(jié)點相互之間傳輸數(shù)據(jù)，便于維護和擴容，擴大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?監(jiān)測軟件目前只能提供數(shù)據(jù)的查詢顯示和控制，對于一些用戶難以發(fā)現(xiàn)的潛在問題，并不能夠對用戶進行提醒，在以后的工作中，可以使用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習的算法對于已有數(shù)據(jù)進行分析，推測出可能出現(xiàn)的問題，從而提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

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