浅谈智能水务监控系统设计

浅谈智能水务监控系统设计

黄金玲

广州杰赛科技股份有限公司

摘要：当前国内工业控制领域普遍使用技术相当成熟的有线测控系统，这些系统建设通常需要铺设光纤或者电缆，不但增加了安装维护成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性，同时面临着网络布线困难、成本高等问题。

引言：网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使许多科学技术和生产领域发生了巨大的变革。随着物联网概念的提出及相关技术的发展，无线传感网络化测控已成为测控系统发展的必然趋势。网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测控新领域，两者的融合正使信息和控制两大领域的相关理论和技术得到迅速发展。

为适应市场需要以及新技术发展趋势，本项目拟设计并开发一种网络化通用物联网测控产品，以实现网络化测控需求且具有一般产品的通用性能，该产品实现系统的可靠性、便于安装、低成本、节能和实际可行性。

1、市场前景和竞争优势分析

1.1市场需求、发展趋势

当前国内工业控制领域普遍使用技术相当成熟的有线测控系统，这些系统建设通常需要铺设光纤或者电缆，不但增加了安装维护成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性，同时面临着网络布线困难、成本高等问题。

网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使许多科学技术和生产领域发生了巨大的变革。随着物联网概念的提出及相关技术的发展，无线传感网络化测控已成为测控系统发展的必然趋势。网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测控新领域，两者的融合正使信息和控制两大领域的相关理论和技术得到迅速发展。

为适应市场需要以及新技术发展趋势，本项目拟设计并开发一种网络化通用物联网测控产品，以实现网络化测控需求且具有一般产品的通用性能，该产品实现系统的可靠性、便于安装、低成本、节能和实际可行性。

1.2现有市场基础

第一事业部从事测控自动化产品研发和应用三十多年，先后在广东、河南、湖南、广西、新疆等20多个省市供水、供气、供电、供热、机场、环保行业，承建了（或集成）800多套SCADA系统，获得了用户好评，积累了广泛的客户资源，具有很好客户基础，并在工程施工过程收集了客户的大量需求。本项目研发的终端正是依据测控产品网络化发展需求，适应物联网发展新趋势，分析市场现有产品的不足而决定立项研发的，产品在价格和市场定位极具竞争力。

1.3目标市场和客户群

第一事业部从事测控自动化产品推广应用三十多年，积累了广泛的客户资源，在市场推广和工程实施中都能很好的将产品在实际应用中推广到现有的客户群体中，并能凭借产品的优势实现新客户的开发和推广。

1.4在市场上的创新性

该项目产品是物联网技术在测控自动化邻域的应用，兼容技术成熟的有线测控系统，并在快速部署、模块化组合、自由扩充等多重特性。

1.5相对竞争对手的差异化优势

目前，西门子服务商提供的方案实现两台S7-200之间的无线数据通信，通信距离不足500米，需要扩展两个CP2431模块，再加两个无线通信模块，设备总造价2万多元。西门子提供的这个方案费用过于昂贵。其实对于西门子这样的大品牌公司，生产制造PLC是其强项，就无线PLC通信的需求相比其主营业务来说微不足道，所以用户要求提供这种特殊服务的方案价格昂贵也就不足为奇了。

本项目研发的终端与西门子服务商相比价格更具竞争力，工程造价不到其十分之一，且无线传输距离更优，约为2公里。

1.6可替代性

在实际工程中，经常需要开挖沟道，加装防爆挠性管或镀锌管，此方案能客服原有有线测控系统的弊端，灵活应用，具有较好的替换原有产品的设计。

2、项目技术方案与设备方案

2.1项目技术目标及所采用的标准

2.1.1项目技术目标

1、AI、DI、PI采集

2、RS232/RS485仪表数据采集

3、DO控制

4、ZIGBEE/433Mhz组网通讯

2.1.2项目所采用的标准

该产品应符合以下标准：

（1）《IEEEStandardforSCADAandAutomationSystems》

（2）《YC-10系列智能终端站企业产品标准》

（3）《Q/JSKJ27—2008企业产品标准MA系列控制器》

（4）《质量管理体系要求》（GJB/Z9001）

（5）《广州杰赛科技股份有限公司质量手册》（Q/GCI-9001）

（6）《广州杰赛科技股份有限公司第一事业部工程现场质量管理程序》（Q/GCI73.1）

2.2项目主要产品内容及应用领域

1.无线模拟量采集控制器

输入信号：4路4～20mA/0-5V

传输距离：0-3Km

工作环境：温度-35-70℃、湿度≤90%

工作电压：9-36V

2.无线开关量采集控制器

输入信号：4路开关量采集

传输距离：0-3Km

工作环境：温度-35-70℃、湿度≤90%

工作电压：9-36V

3.无线开关遥控控制器

输入信号：4路开关量控制

传输距离：0-3Km

工作环境：温度-35-70℃、湿度≤90%

工作电压：9-36V

4.无线通讯模块

短距离通讯：ZIGBEE/433Mhz组网通讯

远程通讯：GPRS

工作环境：温度-35-70℃、湿度≤90%

工作电压：9-36V

产品主要应用于供水、供气、供电、供热、环保等工业测控行业。

2.3项目技术方案选择

2.3.1技术特征及优点

2.3.2项目前期研发及技术准备情况

第一事业部具备多年嵌入式开发的基础：8位单片机STC、Philips等多个品牌，成功研制YC-3011系列终端；16位单片机MSP430开发经验，32位单片机STM32开发经验，成功研制YC-1080系列终端。具有自主开发测控终端经验，对外围器件使用非常熟悉。

2.3.3技术来源

项目技术来源于自主开发。

2.3.4技术路线

由于具备多年测控系统开发经验，对于测控终端电路设计、程序设计具有良好的基础，对于测控终端的功能需求能够良好的掌握。现秉承多年设计经验，设计此款物联网测控终端。

2.4生产工艺流程

2.5设备选型方案

2.5.1MCU选型

本设计采用STM32F103作为核心处理器，该处理器内核架构ARMCortex-M3，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

ST的STM32系列闪存控制器基于ARMCortex-M3内核，是一款专为嵌入式应用而开发的内核。ST在ARMCortex-M3架构上进行了多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb指令集，大幅提高的中断响应，而且所有新功能都同时具有优异的功耗水平。

相较于8位、16位单片机，ARM核的好处是低功耗、高性能，相同的软件在不同的核之间可以兼容。相较于ARM系列系统芯片，STM32运行速度更快，性能也得到很大提高，在核上设计了单周期乘法制定的硬件触发。在代码的密度上，比普通32位单片机省30%~45%；与16位单片机相比，代码空间可以节省50%；如果拿8位单片机作比较，代码空间可以节省70%左右。功耗方面，STM32工作在1MHz频率下为0.15mW，只有ARM7的一半，所以在相同的工作模式下面，STM32可以减少30%的功耗，内核电压是1.8V，芯片电压是3.3V，可以选择睡眠模式、待机模式，保证低功耗应用的要求。系统的外围控制非常丰富，通过内部寄存器的配置完成对外围芯片的控制，应用方便。

2.5.2硬件看门狗芯片选型

本设计拟硬件看门狗芯片为SP706。SP706P/S/R/T，SP708R/S/T系列属于微处理器（uP）监控器件。其集成有众多组件，可监测uP及数字系统中的供电及电池的工作情况。由于以上众多组件的使用，SP706P/S/R/T，SP708R/S/T系列可有效地增强系统的可靠性及工作效率。SP706P/S/R/T，SP708R/S/T系列包含一个看门狗定时器，一个uP复位模块，一个供电失败比较器，及一个手动复位输入模块。SP706P/S/R/T，SP708R/S/T系列适用于+3.0V或+3.3V环境，如计算机，汽车系统，控制器，及其他一些智能仪器。对于对电源供电要求严格的uP系统/数字处理系统，SP706P/R/S/T，SP708R/S/T系列是一款非常理想的选择。

2.5.5时钟芯片选型

本设计拟选用DS3232时钟芯片。DS3232M是低成本、超高精度I2C实时时钟（RTC），带有236字节电池备份SRAM。该器件集成了电池输入，当器件主电源断电时可保持精确计时。集成微机电系统（MEMS）振荡电路保持器件的长期精确度，并减少了生产线的元件数量。

RTC提供秒、分、时、星期、日期、月和年信息。少于31天的月份，自动调整月末日期，包括闰年修正。时钟格式可以是24小时或带AM/PM指示的12小时格式。提供两个可设置的日历闹钟和一路1Hz输出。地址与数据通过I2C双向总线串口传输。高精度、经过温度补偿的电压基准和比较器电路用来监测VCC状态，检测电源故障，提供复位输出，并在必要时自动切换到备份电源。另外，RST监测引脚可以作为产生微处理器复位的按键输入。

2.5.6ZIGBEE/433Mhz通信模块选型

本设计拟选用ZM5168工业级ZigBee无线通讯模块。ZM5168是基于NXPJN5168无线微控制器开发的一系列低功耗、高性能ZigBee模块，并提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM频段的应用集成方案。

产品经过系列权威射频仪器的检验和认证，并结合多年的市场经验和该行业用户的实际需求，将无线产品极复杂的通讯协议集成到内置的MCU中，化繁为简，大幅简化无线产品复杂的开发过程，使产品以更低的成本快速投入市场，增加竞争力，更好的把握住先机。

3、结语

本项目经过充分论证，在技术上具有先进性，且极具市场潜力，本产品的开发有利于公司技术的发展。

参考文献：

[1]物联网迈进“智能+”时代[N].林达.人民邮电.2016-07-19（006）

[2]朱明：物联网发展亟需打造“智能通道+能力开放”模式[N].林琳.通信信息报.2012-05-23（B06）

[3]物联网催热“智能产业”[N].谭华健.中山日报.2011-12-30（A03）

[4]物联网“拼”应用智能交通将成排头兵[N].温婷，魏梦杰.上海证券报.2011-10-21（F05）