王文斌，张鑫，赵玉，沈勇，罗成志
(云南民族大学电气信息工程学院，昆明650500
)*基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目(2020Y 0240
)㊂摘要：针对大型农业园区混流泵房较为分散㊁可控性和可观测性低等问题，设计并实现了基于阿里云的混流泵房远程监控系统㊂系统以S TM 32F 429为主控芯片,A T K M 751模块为主要通信模块,
利用多种环境监测传感器和霍尔转速传感器实时采集混流泵房的环境以及混流泵转速㊂系统通过MQ T T 协议实现设备与阿里云物联网平台的数据交互㊂用户能够通过W e b 端或者智能手机A P P 对混流泵房的室内气态环境以及混流泵转速进行实时监测，并能够实现泵房远程控制，为农业园区分散的混流泵房工作环境监测以及远程控制提供了一个有效解决途径㊂关键词:S TM 32F 429；阿里云物联网平台;MQ T T ;A T K M 751；混流泵；环境监测中图分类号:T P 87 文献标识码:A D e s i g n o f R e m o t e M o n i t o r i n g S y s t e m o f M i x e d F l o w P u m p R
o o m B a s e d o n A l i C l o u d W a n g W e n b i n ,Z h a n g X i n ,Z h a o Y u ,S h e n Y o n g ,L u o C h e n g
z h i (S c h o o l o f E l e c t r i c a l I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,Y u n n a n M i n z u U n i v e r s i t y ,K u n m i n g 6
50500,C h i n a )A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e p r o b l e m s s u c h a s d e c e n t r a l i z e d ,c o n t r o l l a b i l i t y a n d o b s e r v a b i l i t y o f m i x e d f l o w p u m p h o u s e i n l a r g e -s c a l e a g
r i c u l -t u r a l p a r k s ,a r e m o t e m o n i t o r i n g s y s t e m o f m i x e d f l o w p u m p h o u s e b a s e d o n A l i c l o u d i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d .U s i n g S
TM 32F 429a s t h e m a i n c o n t r o l c h i p a
n d A T K M 751a s t h e m a i n c o mm u n i c a t i o n m o d u l e ,t h e s y s t e m u s e s a v a r i e t y o f e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g
合成塔
s e n s o r s a n d H a l l s p e e d s e n s o r s t o c o l l e c t r e a l -t i m e e n v i r o n m e n t a n d s p e e d o f m i x e d f l o w p u m p r o o m.T h e s y
s t e m r e a l i z e s d a t a i n t e r a c t i o n b e t w e e n d e v i c e s a n d A l i c l o u d i n t e r n e t o f t h i n g s p l a t f o r m t h r o u g
h MQ T T p r o t o c o l .U s e r s c a n m o n i t o r t h e i n d o o r g a s e o u s e n v i r o n m e n t a n d p u m p s p e e d o f m i x e d f l o w p u m p h o u s e i n r e a l t i m e t h r o u g h W e b t e r m i n a l o r s m a r t p h o n e A P P ,a n d r e a l i z e r e m o t e s t a r t a n d s t o p o
f p u m p s ,w h i c h p r o v i d e s a n e f f e c t i v e s o l u t i o n f o r m o n i t o r i n
g a n d r e m o t e c o n t r o l o f d i s p e r s e d m i x e d f l o w p u m p
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i n a g r i c u l t u r a l p a r k .K e y
w o r d s :S TM 32F 429;A l i c l o u d I n t e r n e t o f T h i n g s p l a t f o r m ;MQ T T ;A T K M 751;m i x e d f l o w p u m p ;e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g 0 引 言
在社会科技日益发展的今天，各行各业逐渐趋近于工
业化㊁信息化，在农业方面也是如此㊂目前在农业方向上已经有显著的 两化融合 趋势，但针对大型农业园区的供
给水问题依旧严峻[
1]
㊂农业园区的正常稳定供水对于农业园区的正常运行
至关重要，其使用的供水方案主要为沿河建设混流泵房,
抽取河水作为园区灌溉用水[
2]
㊂目前泵房混流泵的启停控制主要依靠工作人员到现场进行分合闸操作，部分地区
使用无线电遥控进行控制[
3-4]
㊂但由于混流泵需要长时间不间断工作且无人值守[5]，针对这一工作特性，要保证混
流泵的稳定工作，仅依靠无线电遥控对电机进行控制显然是不够的㊂
在混流泵工作过程中，电机必然会出现发热现象，且
混流泵房多为密闭环境，这就直接导致泵房温度上升，电机的散热能力降低，部分线路发热，严重的将导致电机烧
毁[6]
㊂线路发热严重时，线路绝缘层会出现明显的碳化现
象，同时会释放二氧化碳，增加了环境二氧化碳浓度㊂
针对目前混流泵房存在的问题，本文以云南某农业园区混流泵房信息化为例，提出了一种基于阿里云的混流泵房远程监控系统设计方案，具有较强的实用性㊂
1 系统架构
混流泵房远程监控系统结构如图1所示，整个系统由
远程监控终端㊁4G 蜂窝网络以及阿里云物联网平台构成㊂首先将远程监控终端安装在混流泵房内，
再把霍尔转速传感器安装到混流泵传动轴上，即可通过M C U 采集混流泵
房环境数据以及混流泵转速㊂利用A T K M 751模块支持的4G 蜂窝网络与阿里云物联网平台进行通信,
按照MQ T T 通信协议规范将数据上传到阿里云物联网平台，并接收平台下发的混流泵控制信号㊂通过阿里云提供的
I o T S t u d i o 设计支持云平台的智能手机A P P 以及W e b 端服务，对现场参数进行监测，实现数据监测查询㊁设备控制
以及故障预警等多种功能，同时阿里云平台能够共享平台数据，为企业信息管理平台提供了数据获取接口
㊂
图1 M o d b u s 物联网网关整体结构图
2 远程监控终端硬件设计及参数配置
远程监控终端主要由S TM 32F 429主控模块㊁A T K
M 751通信模块㊁C C S 811气体传感器和Z C 400霍尔速度传感器构成㊂硬件结构如图2所示
㊂
图2 远程监控终端硬件结构图
2.1 监控终端相关电路设计
远程监控终端采用12V 直流电源进行供电,
通过L M 2596S 模块将电压从12V 降低至5V ，直接为C C S 811
模块㊁Z C 400模块以及A T K M 751模块进行供电，将5V 电压通过AM S 11173.3芯片转为3.3V ，给主控M C U
供电㊂由于监控系统对实时性要求较高，所以需要使用小型操作系统，主控部分选用S TM 32F 429，主频可达到168
MH z
，能够满足需求㊂2.2 I 2
C 通信参数设置
在对混流泵房的气体环境监测过程中使用了C C S 811
模块，该模块是一款低功耗且内置M C U 的环境二氧化碳
浓度监测模块㊂由于该模块使用I 2
C 总线与M C U 进行
通信，需要对模块内部寄存器进行读取，所以需要使M C U
支持2
总线，由于模块在采集状态下会转换成
低功耗模式并主动降低I 2
C 通信速率，所以在其进入采集模式后需要对应降低主控模块I 2C 总线通信速率才能正
常采集信号㊂通过查阅C C S 811通信手册得知该模块的通信参数
如表1所列㊂rc延时电路图
表1 C C S 811模块通信参数
C C S 811模块参数
对应寄存器位置
长度/字节
设备地址0x 201设备状态0x 001测量模式0x 011气体浓度数据0x 02
8错误代码
0x E 01
其中气体浓度数据包括了二氧化碳浓度数据和广泛挥发性有机化合物气体数据，其中二氧化碳浓度数据高位R H 和低位R L 分别为8位气体浓度数据的第0位和第
1位,
真实浓度值C 需要通过下式处理才能得到:C =R H ˑ162+R L
C C S 811模块在准备状态下I 2
C 总线速度为400k b p
s ，当进入采集状态后，自动降为70k b p
s ，所以采集模式下，需要对主控模块的I 2C 通信频率进行降低㊂
2.3 A T K M 751通信参数设置
A T K M 751与主控模块通过串口连接，由于A T K
M 751模块支持多种方式连接，且通信模块与主控模块间距小，所以使用T T L 电平直连效果较好㊂因此A T K
M 751模块串口波特率要与嵌入式控制系统匹配,内翅片管式换热器
即波特率设置为115200，数据格式为数据位8位㊁停止位1位㊁无校验位㊂
A T K M 751模块为新型4G D T U (
数据透传单元)模块，通过A T 指令对模块进行配置，工作位置在运营商信号覆盖范围内即可使用㊂虽然该模块为4G 透传模块，但在没有4G 信号时，模块能够自动降为3G 甚至2G 信号进行通信，由于MQ T T 通信协议的特点,
即使在网络状况不佳的情况下依然可以正常使用㊂
3 远程监控系统功能设计
3.1 远程监控终端软件
混流泵房远程监控终端需要完成以下功能：混流泵的转速采集㊁混流泵启停控制㊁泵房室内二氧化碳浓度㊁数据分析以及上传，包括混流泵正常运行时的参数周期性上报以及发生故障时的报警信号上报㊂其程序流程图如图3所示㊂
由于需要在多任务之间对混流泵工作状态进行统一
管理，在此构建一个数据结构，便于存放混流泵房相关参
844vv
图3 远程监控系统工作流程
数，具体数据结构如表2所列㊂
表2 混流泵房参数表
参 数
数据类型
泵房I D
无符号字符型(u n s i g
n e d c h a r )泵房C O 2浓度浮点型(f l o a t )混流泵转速整型(i n t 32
)混流泵工作状态无符号字符型(u n s i g
n e d c h a r )泵房报警标志位
无符号字符型(u n s i g
n e d c h a r )图4 设备属性定义图
3.2 数据采集任务功能设计
数据采集功能的主要任务是获取数据并判断所获取数据是否异常㊂工作流程主要为通过M C U 读取C C S 811
模块和Z C 400模块采集到的数据，将数据转化为参数表对应数据类型后存入数据结构体㊂数据填入结构体并对当前数据与正常数据进行比较，若采集到的数据与正常值偏离过大，则设备有可能出现故障㊂为了避免传感器出现测量误差导致混流泵停机的情况，仅将泵房报警标志位置高，不对设备进行停机操作㊂
3.3 M Q T T 通信任务
在一般物联网应用层上,MQ T T 协议以其简
约㊁轻量㊁易于使用的特性被各物联网平台广泛应
用，该协议是T C P /I P 的上层协议，使用了订阅/发布通信结构，对于嵌入式设备以及各种不可
靠的网络环境有较好的适应性㊂终端采用A T K M 751作为通
信设备，内置MQ T T 协议栈，主要由M C U 通过A T 指令对A T K
pc abs合金
M 751模块进行配置和数据上传，其主要工作是将参数表数据结构体中的参数上传到物联网平台，以及接收并分析物联网平台下发的指令，并传输到主控M C U ，便于设备调试任务对混流泵工作状态参数进行写入和操作㊂
4 物联网平台搭建
4.1 物联网平台选择及
属性定义
当下物联网平台种类较多,
阿里云物联网平台在提供物联网服务的同时也提供了较为完
善的云服务㊂针对农业园区离散的混流泵房远程监控问题，阿里云物联网平台能够接入钉钉消息通知，能在设备出现故障可能性时，通知工作人员到现场进行检查㊂
针对混流泵房远程监控系统，需要监测的属性主要为泵房二氧化碳浓度㊁混流泵转速㊁工作状态以及报警标志㊂如图4所示，在阿里云物联网平台建立新设备，并定义对应属性㊂
4.2 数据监测以及服务开发
数据上传至物联网平台后需要通过设备对数据进行展示以及远程控制，阿里云的I o T S t u d i o 平台提供了智能
手机平台A P P 快捷开发工具，此处以A n d r o i d 端为例，设计的监测界面如图5所示㊂
由于工作人员不能对A P P 进行实时监视,
且不能保
图5 A n d r o i d 监测界面
证A P P 随时保持开启状态，所以还需启动钉钉的提醒服务，保证在设备出现故障时能够有相关工作人员收到对应的报警信号㊂使用阿里云提供的规则引擎能够快速将报
警信号引入钉钉，通知相关工作人员进行处理[
7]
㊂5 设备测试及应用
当系统正常工作后，监控终端的A T K M 751模块指
示灯会以2s 为周期进行闪烁，当指示灯闪烁时，云平台
即可收到上报数据，如图6所示㊂
图6 阿里云物联网平台接收的设备上传报文
远程监控设备正确安装到混流泵房且通信模块正常运行后，此时对测试系统进行为期一小时的运行测试，得到的混流泵转速以及泵房内二氧化碳浓度数据如图7和图8所示㊂
经过以上测试，证明在混流泵工作过程中能实现现场数据的远程监测，并且手机A P P 端也能够正常收到现场
数据和控制现场混流泵启停，达到预期目的㊂
6 结 语
本文设计的基于阿里云的混流泵房远程监控系统实
现了农业园区离散混流泵的统一控制，解决了农业园区信息化过程中的统一管理以及远程控制等问题㊂通过实验表明，该监控系统能稳定运行，且能够采集现场真实数
据
图7
阿里云物联网平台混流泵转速测试数据
图8 阿里云物联网平台泵房二氧化碳浓度测试数据
并实时上传到物联网平台㊂监控系统是保证混流泵能够稳定安全地进行工作，所以在出现报警信号时只是进行数据上报，不会从现场切断混流泵电源㊂关于远程监控设备对混流泵工作故障精准判定问题有待进一步研究
㊂
参考文献
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[6]阎璐.水下航行器推进用永磁电机工作状态热分析[D ].西安：西北工业大学,2007.
[7]实现 云钉一体 成阿里云重要发展方向[N ].
中国信息化周报,20200622(021).
王文斌(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式控制系统；张鑫(硕士研究生)，主要研究方向为电动汽车充电调度㊁电力系统等㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-07-06
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