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Gokit2.0针对硬件开发者的智能硬件开发板GoKit，用于帮助开发者快速实现智能硬件的原型开发。GoKit支持开发者将产品接入目前行业中各大流行的模组方案，帮助他们与高通、庆科、博通、 汉枫等对接，开发者只需扫一下相应的二维码就可以连接机智云2.0，通过机智云后台定义产品，产品通过WiFi模块上的GAgent接入机智云M2M服务器，扫描二维码直接控制设备。GoKit上还集成了马达、1600万色的LED、Wifi模块、红外光感、温湿度等传感器。 与其他硬件开发平台Aduino不同，GoKit的定位是帮助开发者做出可以商业化的产品，所以在技术选型上参考了市面上成功的智能家居产品，并且做了优化。而且GoKit有原生的网络服务支持，开发者可以快速在机智云2.0平台上定制手机App和网络轻应用。 机智云Gokit2.0开发板自带了名为“微信宠物屋”整体性DEMO，不仅在主板注入了固件，还有APP、微信小程序。按照自带的说明书卡片很容易体验到这一整体解决方案的便利、简洁。 需要注意的是：支持２.４G的WIFI，不支持５G的WIFI，需要手机连接至２.４G信号源。 配网的方式有两种： GoKit提供三种配置方式：AirLink 、WebConfig、 SoftAP。我们可用AirLink 、 SoftAP两种方式配置开发板的无线网络。 1.长按［KEY2］3~5秒直到［RGB LED］亮绿灯，表示设备AirLink模式已经开启。“AirLink”模式，开启后设备会不断接收特定编码的WiFi广播包，手机连接可用的WiFi网络后，通过指定的App发送编码后的WiFi网络的SSID和密码广播，设备接收到之后自动尝试连接此WiFi网络，连接成功即配置完成。 2.短按［KEY2］直到［RGB LED］亮红灯，表示GoKit已经初始化。而GoKit在初始状态下将自动进入“SoftAP”模式。手机进入“系统设置”中的“WiFi设置”，找到“XPG-GAgent-XXXX”（XXXX是你的GoKit MAC地址后4位）并连接此WiFi网络，如需密码请输入：123456789 。打开“IoE Demo” App，此时App会自动进入SoftAP配置模式，选择或手动输入你附近的可用WiFi网络SSIS及密码，点击“确定”。 配置完网络，就打通了开发板和手机app的数据链路，就可以通过app界面实现对开发板的远程遥控了。可以控制全彩LED的灯光颜色、电机转向转速，还能看到实时的温度、湿度值。此时可以关闭手机WiFi，体验一下在世界任何角落依靠移动流量就能操控在家的设备“听话”地运作。 微信宠物屋模拟演示了主人外出条件下遥控照顾在家的宠物的情景，同样的场景会有很多，比如农业大棚智能的远程环境检测和调控，而这个app的名称也是可以根据需要修改的，就在界面右上角… 机智云提供了云端的数据储存、传递的桥梁，这一机制称为GAgent。GAgent主要的作用是数据转发，是设备数据、机智云、应用端（APP）的数据交互桥梁。可将GAgent移植到WiFi模组、GPRS模组、PC端等。 机智云提供了云端的数据存储、转发的桥梁，如果有更多的数据需要转发可以通过注册登录机智云，通过添加数据点实现。 通过机智云的开发向导，可以一次性完成开发板固件、手机端APP等多个软件套件式开发，非常便捷。

非常荣欣参加了这次《混合式数字与全数字电源控制实战》试读体验活动，同时非常感谢面包板论坛举办此活动。打开包装后，一块精美小巧的板子——GoKit2开发板。 图 1 GoKit2开发板 1、 IOE Demo App安装 IOE Demo App是机智云智能硬件产品通用演示应用,也是一款调试工具。可以根据你的不同产品自动生成设备控制界面。也可以用于配置你的设备连接网络以及查看通信日志。 图 2 安装IOE Demo二维码 在手机上安装完成后，还需要在IOE Demo App上注册账号，登录后，界面如下图。 图 3 IOE Demo App界面 2、配置GoKit2连接网络 2.1 使用USB电源线为GoKit2开发板供电并开机。 图 4 GoKit2开发板开机 2.2手机接入WiFi网络,打开IOEDemo，主界面点击界面中间“暂无设备，请添加”。 图 5 添加设备界面 2.3长按GoKit2上的“KEY2”， 灯亮绿色，表示GoKit2进入配置模式。 图 6 GoKit2进入配置模式 2.4 App上输入你使用的WiFi网络密码并点击“配置”，等待设备接入WiFi网络。 GoKit2提供三种配置方式：AirLink 、WebConfig、 SoftAP。本人选择AirLink。 图 7 接入WiFi配置方式 2.5 AirLink配置入网 通过按键触发开启设备“AirLink”模式，开启后设备会不断接收特定编码的WiFi广播包，手机连接可用的WiFi网络后，通过IoE Demo App发送编码后的WiFi网络的SSID和密码广播，设备接收到之后自动尝试连接此WiFi网络，连接成功即配置完成。 注意：AirLink配置不支持5G的WiFi网络，请使用传统2.4G WiFi信号。 图 8 选择接入WIFI IoE Demo APP上输入已连接WiFi的密码，点击配置按钮，等待30秒到一分钟，APP提示配置成功。在此期间，您可以看到GoKit2的绿灯熄灭，WiFi模组两个指示灯瞬间熄灭，直到指示灯开始交叉闪烁，这表示GoKit2已经连上路由器，配置完成。你可以使用“IoE Demo App”对GoKit2进行状态的查询（局域网）。 图 9 IoE Demo APP显示GoKit2设备 3、使用IoE Demo App控制GoKit2 出厂的GoKit2内置了一个Demo产品“微信宠物屋”，完成GoKit2的网络配置后，GoKit2已经通过路由器连接互联网，现在可以对GoKit2上资源进行控制。 例如三色的LED，通过红、绿、蓝值，发出不同光灯色； 另外电机转速控制，能控制电机正反转、转速； 显示当前环境温度和湿度。 图 10 IoE Demo App的GoKit2控制界面 点击上图右上角…图标，可以设置GoKit2如下功能： 编辑设备名称 查看设备信息 数据透传 检查固件升级 图 11 GoKit2的设置界面 4、MCU代码自动生成工具介绍 为了降低开发者的开发门槛，缩短开发周期，降低开发资源投入，机智云推出了代码自动生成服务。云端会根据产品定义的数据点生成对应产品的设备端代码。 自动生成的代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑，并封装成了简单的API，且提供了多种平台的实例代码。当设备收到云端或APP端的数据后，程序会将数据转换成对应的事件并通知到应用层，开发者只需要在对应的事件处理逻辑中添加传感器的控制函数，就可以完成产品的开发。 点击登录机智云开发者中心 ，就可以登录在线开发MCU工程（需要申请账号）。详细清查考《 MCU代码自动生成工具介绍 》，网址如下： https://devdocs.gizwits.com/zh-cn/ProductDev/DevAccess/MCUReferenceCodeServer/AutomaticCodeGenerationTool.html#1-%E5%89%8D%E6%96%87%E9%9C%80%E7%9F%A5 图 12 机智云开发者中心 界面 5、总结 本人刚刚开始接触GoKit2开发环境，水平有限，现在正在学习如何使用机智云GoKit2开发工具和开发环境，幸好有社区，上面很多官网提供资料和操作手册。现在我站在了社区中巨人的肩膀，艰难上路，开启自己开发之路，虽说路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

机智云APP SDK中预留了一个扫描二维码绑定接口，APP可以通过扫描GPRS设备（WiFi设备也可）二位码直接绑定设备。至于QRCode内容已损坏，可能的原因如下： 二维码图片损坏：二维码有可能因为存储、传输或者打印过程中的一些问题，如不正确的存储方式、过长的传输时间、或者打印时的温度过高，导致二维码图片本身就有损坏。 用户使用不恰当的扫描工具或扫描方式：如果用户使用不恰当的扫描工具或扫描方式，可能会导致二维码无法被正确解析。 二维码解析错误：二维码的内容可能因为各种原因，如编码格式错误、数据过大、数据加密等，导致在解析时出现错误。 请注意，以上只是可能的原因，具体情况可能还需要根据具体的应用场景和二维码的使用情况来进行详细的分析和排查。

本项目由吉林建筑大学何冬雪、岳俊华开发设计完成，该基于单片机的瓦斯监测控制系统，其硬件主要由 STM32 单片机、甲烷气体传感器、温湿度传感器、Wi-Fi 模块、蜂鸣器报警电路模块、控制电路及显示电路模块等组成。 以单片机为核心，能够实时检测到煤矿中的有毒气体，当有害气体的浓度超标时，蜂鸣器会发生声音进行报警提醒工作人员撤离，同时开启继电器控制风扇排气，增加空气流通；还结合温湿度传感器采集煤矿的环境，实现煤矿数据的采集与设定阈值对比后，并通过蜂鸣器报警。 同时结合 Wi-Fi 模块实现机智云电脑端页面显示和控制，最后还能够通过有机发光二极管显示屏显示。 一 、 引言 随着科技的日益进步，人们对能源的需求不断增加。在中国的基本能源中，煤炭的重要性是无可比拟。然而煤炭开采过程中煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生，对人们的生命安全和经济财产造成了巨大损失。近年来，随着电子技术、计算机软硬件技术的快速发展，中国的一些研究机构和厂家推出了各种各样的监控系统，纷纷加大了对煤矿安全生产监控系统研究、开发投入，煤矿安全监测监控系统的先进性、稳定性、可靠性也在逐步提升，在煤矿安全生产过程中发挥不可忽视的重要作用。 针对上述情况，本文设计出这一款基于 STM32 单片机煤矿瓦斯监测控制管理系统，包括甲烷气体传感器电路、温湿度传感器电路、Wi-Fi 模块电路、报警电路、继电器控制电路及显示电路。 STM32 单片机作为核心，具有监测煤矿矿井温湿度、瓦斯浓度参数的功能，并具有瓦斯浓度超限报警功能；具有自动强制通风功能：采集数据可通过液晶屏显示。监控数据和告警信息可以通过 Wi-Fi 模块传输到远程机智云云端。 二、系统方案设计 2.1 设计思路 本次设计的主要核心是机智云平台对煤矿瓦斯安全环境的监控，使用移植机智云 GAgent 的 Wi-Fi / GPRS 模组建立桥梁，使煤矿瓦斯监测系统采集的数据与机智云互联互通。煤矿瓦斯监测系统与机智云数据交互图如图1所示。 图1 数据交互图 2.2 总体方案设计 煤矿瓦斯安全监测系统涉及的主要硬件设备有单片机最小系统控制电路、瓦斯气体采集模块、温湿度传感器采集模块、蜂鸣器报警模块、有机发光二极管 显示模块、继电器自动化控制模块和 Wi-Fi 无线通信模块。 这几大模块共同组成了煤矿瓦斯安全监测系统，主要功能实现如下。： 1）运用有毒气体传感器，检测煤矿有害气体浓度（比如瓦斯、一氧化碳等）是否超标,当检测到有毒气体超标，开启排风口排有毒气体，同时开启蜂鸣器警报报警，开启工作人员安全撤离，保障工作人员的安全。 2）运用温湿度传感器，采集当前煤矿环境的温湿度值。当温湿度值超过设定的阈值时，开启风扇散热排湿，实现煤矿工作环境的稳定。 3）运用光敏传感器，采集煤矿工作的光强环境。 4）OLED 液晶屏幕显示煤矿环境温湿度值、瓦斯浓度值。 5）手机 App 机智云页面的监控。 采用 Wi-Fi 模块，实现数据无线传输在手机 App 端显示监控以及控制。 手机 App 端可以显示采集的数据,还可以控制瓦斯浓度报警阀值，系统方框图如图 2 所示。 图2 系统方框图 三、系统软硬件设计 3.1 硬件电路设计 1）单片机最小系统介绍 单片机最小系统一般由下载电路、电源电路、复位电路、晶振电路和单片机芯片组成,也是系统能够实现运转的最小电路原理图。可以说,每个项目设计的每一个系统都离不开这几个电路的支撑，其外设各种功能都是在此基础上开发。 *晶振电路 本设计采用的是外接晶振电路：本晶振电路有两个电容和一个晶振源组成，两个无极电容的主要作用是消除晶振源产生干扰电感的阻抗。晶体振荡器在系统电路中主要起着产生振荡频率的作用，可以说所有的系统电路都离不开时序的频率驱动，这是一种有序的时序逻辑电路，比喻为单片机的心脏也不为过，起着至关重要的作用，而晶振的频率主要采用 12 M，可以根据单片机需求进行锁相环分频，至高能达到 72 MHz。 *复位电路 刚开始系统上电时给电容充电，此时的电阻和电容之间会形成高电压，所以单片机的RST 复位引脚是高电平，当按键 S2 被按下后,此时的电阻和电容之间会形成低电压,单片机复位引脚 RST 是低电平状态，处于这个状态超过两个机器周期，单片机就会进行程序初始化(复位)。 2）甲烷气体传感器电路 甲烷、一氧化碳等有毒气体检测电路是整个系统电路的核心组成部分之一，核心部件 MQ-5 有毒气体传感器，具有灵敏度高、寿命长、稳定性好、电路结构简单的优点，所以常用于家庭、工厂和公共场所的气体安全检测，而且 MQ-5 不仅能检测甲烷，还能检测氢气、苯、天然气等气体的探测。所以相对准确地说，MQ-5 是个多种气体检测传感器。 3）温湿度传感器电路 本次设计采用 DHT11 温湿度传感器模块采集煤矿的温湿度。DHT11 温湿度传感器是一种能够自行测量温度和湿度的复合型元器件，也是一种能够自行校准数字信号并且串行输出的传感器。其中湿度能够检测的范围 20% ~ 90% RH，温度为 0 ~ 50 ℃ ，湿度的精确度在 ±5% RH，误差较大点，温度精确度在±2 ℃ 左右，精确度较高。 4）蜂鸣器电路 蜂鸣器电路连接在三极管基极和单片机 PB12 的电阻主要起到限流的保护作用，工作原理是只要单片机 PB12 端口输出低电平至三极管基极，集电极与发射极超过0. 7 V 的导通电压，三极管被导通,有较大的电流经过三极管，蜂鸣器机会进行报警，此处用于煤矿有毒气体超标时和温湿度值过大时就会进行警报。 5）显示模块电路 屏幕的电路设计采用的是一种 IIC 接口，该类型接口连接单片机的接口只需要 4 根脚连接，SCL 是时钟接口, VCC 接电源，SDA 是数据接口，GND 接地。简而言之，两根数据线就可显示内容。IIC 是一种通信接口协议，通信协议中有起始信号、终止信号、应答和非应答四个信号。 6）继电器控制电路 因为单片机的 I / O 口驱动能力有限，所以需要加装一个继电器模块以小电流控制大电流进行驱动。由于本次设计需要用到风扇散热、有毒气体排气、排湿自动控制系统的应用，所以需要1 个继电器模块接口。 继电器模块工作原理简介： PC1 当输入高电平时，三极管Q2 处于饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合。 PC1 当输入低电平时，三极管Q2 处于截止，继电器线圈断电，触点断开。 7）Wi-Fi 模块电路 无线通信控制采用 Wi-Fi 来控制，通过无线控制的信号传输方式来设定瓦斯报警浓度的阈值，Wi-Fi 控制的特点是成本较低，传输速度快，稳定性强，集成度高，操作也简单，用串口进行无线网络模式的数据传输即可。所以此次设计中采用 ESP -8266 Wi-Fi 连接系统，确保能够与机智云平台进行通信，可以进行远程的一个相关控制。即对瓦斯有毒气体进行一个远程的监控（机智云监控）。 3.2 软件程序设计 本设计采用的是 Keil5 软件，目前最主流编程软件。功能强大：提供了 C 语言编译器、连接器、宏汇编、库函数管理功能，还能在线调试和仿真。 1）主控制程序设计 系统上电后，进入主程序之前循环之前，需要先对各个模块的程序进行初始化，模块初始化主要包括 MQ-5 甲烷气体传感器、DHT11 温湿度传感器、OLED 显示屏等，重新初始化可以复位系统电路，并获取传感器初始化状态。 初始化完成后，主程序会对 MQ-5 有毒气体传感器实时采集有毒气体、DHT11 温湿度传感器采集温湿度、 OLED 屏幕实时更新显示等，将获取的数据经过单片机的对比后，作出相应的紧急判断，最后通过 Wi-Fi 上传数据，实现手机 App 端机智云的监控，从而实现煤矿瓦斯安全监测等自动化操作。系统主程序流程图如图3 所示。 ​图3系统主程序流程图 2）电子电路设计 本设计的硬件制作原理图主要使用 Altium Designer这款软件进行制作。此款软件可以汉化支持中文显示，使用比较的方便,功能强大齐全，设计上比较的简单，对电子电路开发有着一整套的电路开发系统，适宜电子爱好者的设计与开发，在网上学习资料也比较的齐全。 以下是设计操作的几个主要步骤： 步骤一：打开软件运行后创建文件。 新工程需要选创建工程文件，然后保存命名为“ 单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统的设计与研究”。 步骤二：在工程项目中创建原理图，对一些需要用到的元器件进行库增加，在库元件中找到自己设计所需要的元器件拖出来，然后对元器件进行正常的连接与布局。 步骤三：完成以上的步骤后，最终可以得到完整的煤矿瓦斯监测控制管理系统。电路原理图如图 4 所示。 图4 电路原理图 3.3 数据自动采集与监测 机智云是一个致力于物联网和云服务的开发平台。机智云云平台主要专注于物联网硬件上的智能云服务和解决方案，是行业的长期努力，是对传统物联网行业的深刻改造，为个人和企业开发者提供一站式智能硬件开发和云服务平台。 该平台提供从定义的产品、设备端开发和调试、应用程序开发、生产测试、云开发、运营管理和数据服务访问到运营管理的智能硬件访问，以实现服务的全生命周期。 机智云平台为开发人员提供自助的智能硬件开发工具和开放的云服务。 通过简单的自助工具，完善的 SDK 和API 服务功能，最大限度地降低物联网硬件开发的技术门槛，降低开发人员的成本，提高开发人员的产品生产速度，智能升级开发人员，更好地连接和服务最终消费者。 本设计中借助机智云平台，通过 Wi-Fi 模块实现数据传输，实现对瓦斯气体采集并上传至机智云的功能，本设计机智云设备访问的基本过程如图 5 所示。 图5 机智云设备访问图 开发顺序步骤： 步骤一：注册并登录机智云开发者账号 在使用机智云物联网云平台服务之前，您需要注册一个开发者账号。 步骤二：创建产品 在开发者中心点击“创建新产品” 后输入产品名称以及选择对应设备接入方案即可完成“新产品”的创建。 * 点击“创建新产品”; * 输入产品名称与选择设备接入方案; * 创建数据点，点击“ 新建数据点”，添加开关机数据点; * 下载云端自动生成的协议。 步骤三：设备与应用开发 设备端访问，设计中把单片机设备采集的信息通过编写智能云连接协议 GAgent 的网络模块，即可通过智能云平台 Wi-Fi 模块无线通信实现设备组网和智能。通过 Wi-Fi 模块连接到智能云平台，实现 App 通过云控制智能设备。 步骤四：调试产品 产品开发完成后，单片机系统数据在调试过程中，开发和调试设备将连接到 Wisdom Cloud Sandbox 服务器( 测试服务器)，将采集的电压值进行显示在对应的界面，并且可以进行控制充电开启以及关闭。 四、总结 本文设计的基于单片机的煤矿瓦斯监测控制管理系统，以单片机为核心，通过传感器将井下瓦斯浓度传给单片机，单片机经过处理，判断瓦斯浓度是否超标。当有害气体浓度超标时，会发出声光报警，开启继电器控制风扇进行空气浓度调节，直至浓度降到设定值以下。 通过 Wi-Fi 模块传输到机智云端，还能在 OLED 显示屏显示，便于工作人员查看和控制，能够防止和避免事故发生，保证井下工作人员的安全。

本文介绍的是由华北水利水电大学李琛设计的泵站智能巡检系统，该系统改变了常规的专人值守的工作模式，实现泵站运行状态的远程智能巡检工作，达到自动监测、故障报警、提前预测等功能。 泵站智能巡检系统以 STM32 单片机为主控制器，采用 M-BUS 总线作为泵站状态信息的传输总线。针对信息传输过程中受线路的损耗及外界干扰导致总线连接的设备减少、传输误码率高等问题，对 M-BUS 总线接口进行自适应改进；通过 Multisim 软件进行电路仿真并验证其电路的可行性，仿真结果显示改进的自适应电路提高总线传输的稳定性及传输效率。 根据泵站智能巡检系统的应用需求，结合机智云平台完成了系统的远程通信组网。通过 WiFi 无线通信模块将采集的泵站状态信息通过单片机串口上传至云端服务器或APP 应用软件；可在 APP 查看泵站的工作运行状态，实现泵站远程信息化的管理，达到管理模式的创新，提高工作人员的管理水平和工作效率。 一 、 引言 当今水利工程发展的一个重要趋势是泵站自动化。不管是农业灌溉，还是水资源的调用，泵站都扮演着重要作用。一个完整的泵站巡检系统包括两个系统，一个是对泵站状态的实时采集系统，另一个是实时的数据传输系统。良好的数据采集和传输系统是监测整个泵站稳定运行的关键环节，将泵站的运行状态实时、准确、快速的传送至主机管理端，通过对数据进行分析处理，做出相应的判断，是保证系统稳定运行的前提。 现如今水利系统信息化建设基本实现自动化，但自动化效率并不高，仅能达到 50% 的运行效率，这归根于泵站监控系统中的一些不足：大多数泵站采用传统控制方式，只能实现短距离本地泵站巡检，不能统筹管理控制；泵站设备与上位机通信没有固定标准，设备之间通讯协议多样化；缺少运行数据的统计与收藏；故障自诊断功能不完善等。为此，本设计的泵站自动巡检系统集合了高精度传感器、单片机、M-BUS 总线、互联网、智能算法等技术，主要目的是为工作人员减轻负担，减少人为操作事故，提供实时监测状态，实现智能预测状态，改善半自动化巡检方式。 二 、 系统需求分析 泵站的巡检系统是实时监测泵站的运行状态，并将状态信息传输至终端设备，便于监控泵站运行状态的健康情况。泵站运行的监测往往需要有专门的工作人员常驻在泵站所在地，人为巡检泵站的各个机组工作状态；而泵站大多分布在偏远郊区且相隔较远，不方便实时得知泵站运行信息。为了改善对泵站运行监控的不及时，设计泵站智能巡检系统。 2 . 1 系统需求分析 根据泵站的运行原理与结构组成，对研究设计该系统需要解决的实际问题，展开泵站智能巡检系统的需求分析研究。 泵站的智能巡检系统按需求可分为五大部分： 1. 对泵站机组运行状态及运行环境信息进行获取； 2. 根据获取的信息进行数据分析预测泵站的工作状态； 3. 整个系统要稳定可靠，有故障设备时应在不影响其他设备正常运行的情况下，及时报警反馈上级； 4. 具有完善的管理功能，对设备运行有良好的记录形式； 5. 可在远程设备对泵站进行管理控制。 为了满足泵站巡检系统的需求，本系统采用以 M-BUS 通信总线为传输总线的有线采集系统，结合智能硬件设备，向泵站发送巡检命令，稳定收发泵站运行状态；并通过无线通信模块将信息上传给云端服务器，满足对泵站的远程控制工作，图1为泵站巡检需求架构图。 图1泵站巡检需求架构图 2.2 系统功能设计 泵站的智能巡检系统是指在智能终端可实时查看泵站的运行状态、系统的健康运行情况，通过命令控制自动化设备执行相应操作；同时具有异常报警、状态分析及历史存储的综合自动化系统。根据对泵站的需求统计，此系统需具备泵站信息采集、数据传输、数据处理、数据显示以及对泵站的远程控制、监测等功能来完成对泵站运行状态的智能巡检工作。 2.3系统总体介绍 为了实现本系统的预期功能，系统设计由硬件部分和软件部分组成，通过软硬件结合协调完成对泵站运行状态的监管。泵站巡检系统的硬件部分由对微控制器选型设计、巡检功能设计、供电模块设计、显示设备设计、各类传感器设计及通信电路设计等组成；硬件连接泵站设备获取泵站信息并进行传输控制。软件部分主要包括控制程序的设计、通信协议的设定、远程终端的设计等，通过程序调用相辅相成发挥智能硬件作用。 1）系统硬件结构 根据泵站状态巡视监测的功能，泵站状态巡检系统的硬件结构可以分为现场从机数据采集层、主机控制层、远程管理层。图2为泵站巡检硬件结构图。现场从机采集层主要是由现场监测装置和数据采集单元通过传感器对泵站的的工作环境、泵站机组的工作温度、转速等进行实时采集，将采集到的参数传输送数据分析层进行分析处理。 图2 泵站巡检硬件结构图 主机控制层是指对 M-BUS 传输的信息进行处理后，当运行状态有故障发生时，具有报警提醒功能；根据运作情况控制泵站从机设备的启停、泵站机组的电压电流、泵站水位阀门的开关；主机控制层外接显示设备，工作人员可根据显示情况直观观测到运行情况，能及时发现故障点；建立主机与 WiFi 模块通信信道，实现网络通信。 远程管理层是由远程移动设备、云端服务器构成的，主要是将接收到的泵站状态信息通过网络协议传输至远程终端设备上，工作人员可随时随地通过互联网登录软件查看泵站运行状态，进行监测、分析、故障诊断、维修安排，方便对泵站运行进行管理。 2）系统软件结构 本系统的软件设计遵循软件工程设计的模块化思想，将泵站巡检系统的功能模块化，分为数据采 集通信模块、无线通信模块、故障报警模块、数据分析处理模块、移动应用终端等组成，图3为软件结构图。 图3 软件结构图 *数据采集通信模块主要是建立获取现场传感器监测的泵站运行状态之间的协议，定时下发询问命令，检测泵站机组是否在线工作，如若在线工作，在接收到询问信息后，自动给主机回送在线命令，并发送采集的设备信息。 *无线通信模块是负责建立 MCU 与云服务器的通信，为远程监控泵站状态充当桥梁作用。无线通信保证移动客户端的泵站数据实时更新，实时传输数据至服务器，同时向MCU 发送故障诊断数据请求和控制命令。 *故障报警模块是将获取的泵站状态与设定的正常值进行对比分析，如若不超过标准值，表示设备正常运行；若不在标准值范围，启动报警装置，提醒工作人员检查泵站运行设备。 *泵站状态数据分析处理层是将采集的数据进行运算处理。如若泵站的部分信息超过正常运行值，将引发故障报警，及时提醒工作人员监测；同时控制中心接收到故障值信息，启动控制设备对泵站运行状态进行调控。数据处理层还包括对泵站信息的存储、历史数据的调用和查询功能。 *移动 APP 的建立是通过机智云物联网平台与 APICloud 连接搭建的，为了方便实时查询泵站数据，便于远程诊断。 三 、 泵站巡检 系统的硬件设计 泵站巡检系统的硬件部分由从机和主机构成。主机主要负责接受从机数据、显示数据、网络上传及控制命令的收发，要求同时与多个从机相通讯，实时性要好，因此要选用处理芯片速度要快；从机部分主要是接受水位、流速、压力、转速等多个传感器采集到的信息，由于传感器采集的信号为模拟电信号，单片机不能直接对模拟信号进行读取，对采集信号做 AD 转换，转为数字信号，并对信号进行数字处理后将传感器信息上传给主机。泵站需要连接多个传感器，要求控制芯片要有足够的外部接口。硬件系统的健康运行是保证整体系统稳定的关键一步。 3.1泵站巡检系统的主机硬件模块 主机系统的功能是接收从机发送的数据，存储并分析数据状态；在巡检过程中发现泵站运行状态信息不符合正常工作状态时，可以发送报警功能；将泵站信息实时显示在监控显示屏上，并且通过 WiFi 模块把数据上传至云端，实现远程实时监控，主要功能电路图如图4所示。 图4 主机设备结构图 1）主机控制模块 主机的核心控制模块采用单片机 STM32F10x 系列，根据几款型号的STM32F10x 系列微处理器进行对比，由于STM32F103 系列芯片具有处理速度快、内部存储空间大,可扩展结构多等优点。最终选用STM32F103RCT6 型号芯片。图5为 STM32F103RCT6 原理图。 图5 STM32F103RCT6 原理图 2）电源模块 主机要驱动人机交互设备、无线 WiFi 模块等设备工作，需要用到 5V 和 3.3V 电压。图6是主机电源模块，24V 外部电源经过 Lm2575-5 降压芯片后降压到 5V，5V 电压，经过 AMS117-3.3 后将电压降到 3.3V 供给微控制器、存储模块和时钟模块使用。 图 6 主机电源电路 3）存储模块 从机将采集到的设备信息发送给主机，并存储在主机存储芯片，在查询历史记录时便于查询到相应的设备状态及操作指令。系统存储模块选用的 AT24C256 芯片，具有对硬件的写保护功能及对软件数据保护功能。图7 所示为 AT24C256 电路图。 图7 AT24C256 电路图 4）无线通信模块 要实现泵站智能巡检系统的主机与智能终端设备的通信，便要借助无线通信。常考虑 WiFi 模块具有高带宽，传输快，可扩展性强，普及度高，实际应用方便、成本低等性能优点，便采用ESP8266 WiFi 模块作为网络通信方式。此芯片的原理图如图8 所示。 图8 ESP8266原理图 ESP8266 WiFi 模块通过串口与 STM32 主机芯片进行通讯，RXD 为接收数据引脚，连接单片机 TX 引脚，从单片机中获取数据；TXD 为发送数据引脚，连接单片机 RX 引脚，向单片机发送接受数据返回值。 5）触控显示设备 在泵站智能检测系统中，由于需要监测的参数多，普通的数码管与 LED 点阵屏不 能实现直观显示，系统采用 TJC8048X570_011C 的 5 英寸电容显示屏作为显示设备。下图9为显示屏的实际图。使用该串口显示屏需要注意不要重复供电，重复供电容易超出工作电压范围，造成烧毁芯片。 图 9 显示屏电路板 3 . 2 泵站巡检系统的 从 机硬件模块 从机电路主要是由多个功能相同的从机构成的，主要功能是监测泵站的运行水位情况、流速状态、电压情况、机组温度等运行情况及外设控制设备，需用到多路传感器及开关电路。 1）从机的 MCU 核心模块 从机负责获取泵站的状态信息及对设备的控制，要连接泵站的多个传感器与控制设 备。当从机接受到主机的命令后，依次将采集到的各泵站的状态信息发送到主机上。由于一些采集信号为模拟信号，需要将信号进行 A/D 转换；存储芯片与单片机连接需要用到串口或者 IIC 端，单片机需要具备这些功能。主机选用的 STM32F103 单片机芯片同样满足从机需求，便采用同样的芯片。 2）电源模块 为了保证各模块的供电电压统一采用外部 24V 电源供电。从机电源电路如图 3-7 所示。从机设备连接的泵站控制阀和输入 4~20mA 的电流转换芯片需要 12V 工作电压，采用 LM2575 芯片；而信号转换器（AD 转换）和单片机工作需要对 12V 电压再降压，采用 AMS1117 使 12V 电压转为 5V 和 3.3V 供单片机工作。 图10 从机电源电路 3）传感器类型 泵站运行中需要监测多个参数，通过传感器实现对泵站运行状态监测，下面对几种监测传感器展开介绍。 *电磁流量计 采用 53W-1HHC0B1 电磁流量计来监测泵站工作的流量信息，当测量导电液体通过时产生的电动势得出液体流量，流量计可双向测量使用，具有设备自我监测、诊断功能。 *液体传感器 本系统选用投入式液位传感器 WL-400F，该传感器采用防腐材料设计，具有耐水性能良好、高精度测量芯体，防弯折设计等特点。投入式液位传感器技术指数如表1所示。 表1 液位传感器技术参数 *继电器 继电器是通过低电平去控制高电平的的电子器件，通过控制泵站中继电器的开关情况进而控制泵站的运行状态；继电器设备在电路中还具有自动调节功能，可防止线路被烧坏。图11为继电器驱动电路。 图11 继电器电路 3.3 M-BUS 通信电路 通过根据 M-BUS 传输特性设计 M-BUS 自适应接口电路，使其能自动调整适应总线电流、电压变化，降低传输过程中线路的干扰，通过电路仿真软件 Multisim 对设计电路进行仿真实验。 1）M-BUS 从机通讯接口 M-BUS 从机接口主要是连接 M-BUS 总线，将单片机采集到的泵站运行状态信息通过从机 M-BUS 接口传送到 M-BUS 总线发送给主机。主机向从机发送采集命令，从机接受到命令后，有序的将采集的泵站信息发送给主机。主机与从机之间的通信功能通过 TSS721A 芯片采用对应的 M-BUS 通信协议实现，而M-BUS 的通讯主要是通过总线收发芯片 TSS721A 来实现。如图12 所示是从机通信电路。 图12 从机通信电路 2) M-BUS 主机通信电路 M-BUS 主机要实现 与 从机的相互通信及向从机发送命令功能 。 主机接收从机信号，需要将从机电流变化转化为电压变化，再将电压变化转化为逻辑电平信号。 *主机发送电路 主机 MCU 与主机发送电路通过 TXD 串口连接，为了防止电路干扰，将 MCU 与发 送电路之间连接光耦进行电路隔离。图13 为主机下行发送电路。 图 13 M-BUS 主机发送电路 *主机接收电路 主机接收电路是通过电流调制接收从机发送给主机数据的电路，将总线电流的变化调制为逻辑电平信号，但主机串口能接受的信号格式为 3.3V 和 0V 的逻辑电平信号，故在接收电路中要将电流调制情况转换为逻辑电平电路。主机接收电路如图14。 图14 M-BUS 主机接收电路 3）验证电路 将 M-BUS 上行接收电路在 Multisim 软件中做电路仿真实验，对采样电阻两端的电压和比较器输出的电压做对比分析，图15为搭建的 M-BUS 上行仿真电路。 图15 M-BUS 主机接收电路的仿真图 由图16采集的电压波形图可知，根据电压波形图分析得出采样电阻两端的逻辑电平和比较器输出端的逻辑电平保持一致，通过电路仿真验证设计的主机接收电路具有电流转换电压信号的功能，验证电路的可行性。 图16 电压波形分析图 四 、 泵站智能巡检系统的软件设计 4.1 主从巡检设备的软件设计 泵站智能巡检系统功能的设计是在 KEIL 软件上开发编程的。其程序开发界面如图17所示。泵站巡检系统的开发语言选用 C 语言。完成编译与调试后的程序代码，选择仿真器类型烧写至主控芯片的内部存储模块中，点击“下载”就可以完成下载程序。采用 KEIL 对单片机编程的步骤如图18。 图 17 KEIL 编程环境 图18 单片机编程开发流程 1）系统主程序设计 STM32F103RCT6 作为泵站巡检系统的主控芯片，要求能实现以下功能：接受泵站现场的各传感器采集泵站的运行状态、监测水位、机组温度等状态信息，对采集信息进行分析判断处理，并向下发送执行机构的控制命令等。为了方便后期对泵站巡检系统的维护与功能扩展，在软件的设计中采用模块化设计方式。图19为系统模块功能。 图19 系统功能模块 在对泵站进行巡检监测时，首先对各个子模块进行初始化设计，并测试各模块间的通信功能；在从机设备接受到主机发送的巡检请求命令后，将执行采集命令，并将采集的信息做判断后，发送给主机，如若工作的状态有异常现象，将启动报警模块，提醒泵站运行状态异常。图20为系统主程序图 。 图20系统主程序图 2） 系统通信程序设计 泵站的主机与从机收发信息均需要一定的协议，系统采用的是 M-BUS 总线通 信，就要遵循 M-BUS 的数据通信协议。接口电路接收到主机发送到从机的命令，根据数据域的指令，执行相应动作。数据域中的协议命令如表2所示。图21为通信程序流程图。 表2 泵站系统的操作指令 图21通信程序流程图 3）数据采集程序设计 要实现对泵站的运行状态进行实时监测，就需要获取各个运行参数，而运行状态参数包含多种信号形式，很难自动测量采样，而且MCU 能识别的信号仅为数字信号，要对各种状态信号进行转换。因此，为了使系统能对泵站运行参数直接采样获取，需先将这些参数转换为标准信号模式。数据采集信号软件流程如图22所示。 图 22 数据采集流程图 4）报警程序设计 根据不同情况划分报警事件类型，有通信线路故障、运行状态超出阈值、设备故障无法正常启动等多种故障形式。当发生故障事件时，系统检测到故障信号，发出警告命令提醒工作人员泵站运行有故障发生，同时对数据进行记录存储，便于使用智能算法根据大数据分析故障问题。图23为故障报警程序流程图。 图23 故障报警程序流程图 5）历史查询程序设计 根据存储的历史状态数据可以对泵站运行进行建模分析，对运行状态进行预测、判断，提前做好防御工作。历史记录模块管理设计人性化，工作人员可以直接登录工号操作，点击查询、保存等就可以直接进行相应操作，方便直观。查询的内容可以看到事件时间、事件状态、故障原因、故障点和操作人员信息等信息。 6）WiFi通信设计 在程序中设定，当单片机或 WiFi 模块向对方发送请求命令时，接受命令方须返回响应指令；设备上电初始化完成后，STM32 单片机发送按键命令用来选择 WiFi 入网模式，有 Airlink 和 SoftAP两种接入云端模式。控制命令是 WiFi 模块发送的控制单片机的指令；心跳命令是用来监测 WiFi 模块与单片机是否正常通信的命令；在程序中设置连续 220ms 单片机未接收心跳命令，则判定通信失败，需要重启 WiFi 模块。图24 为 WiFi 通信流程图。 图24 WiFi 通信流程图 为了实现硬件与机智云平台的相互通信，须在 WiFi 模块上植入通讯固件 GAgent，并通过 Gizwits 协议接入机智云云端服务器。GAgent 具有良好的通讯性能且不受平台的约束，被广泛用于设备数据、机智云端、APP 之间做通信桥梁。GAgent 固件烧录进ESP8266 模块中，实现与云端的通信，可以将串口数据转发给云端数据上传至 APP 端，也可以将云端数据通过 WiFi 模块传送至单片机供设备使用。 4.2显示设备的设计 触摸显示设备采用的是 TFT 彩色触控液晶屏，该显示设备可以显示文字与图片，但是需要对显示内容进行取模，通过取模软件，将汉字转换为对应的 16 进制字模，LCD 显示函数调用字模数组即可显示对应的汉字。 该显示设备与单片机通过十六进制码完成通信，单片机获取到的泵站信息要传送给显示装置，需要遵循显示语言规则，要在 KEIL 软件上编辑系统程序语言，将采集到的泵站状态显示到相应的状态栏中。图25 为串口显示界面。 图 25 串口显示界面 五 、 移动端 APP 设计 为了方便对泵站运行状态的远程实时监控，可以将数据传输至服务器，通过移动终端对泵站状态进行监测并控制泵、阀的启停，实现泵站的现代信息化运行，达到管理模式创新。当泵站运行出现疑难故障问题时，还可以请专家根据远程实时状态进行科学分析，便于及时发现问题、解决问题。 云服务器作为一种新生技术顺势而生。云服务器不仅能够满足开发者对服务器的需求，而且所需要的的项目成本低廉，有现成模块可以直接拿来使用，加快了对软件的开发速度。像机智云平台是智能硬件开发与云服务平台，可以面向个人、企业开放使用。机智云还提供 APP 与微信小程序的 SDK，只需要在该基础上进行修改，即可以对移动端应用进行开发。 5.1 APP开发 泵站巡检系统的移动端 APP 是机智云平台与 APICloud 两个软件相结合完成的，机智云平台提供自助式的智能硬件开发和开放的云服务器，包括机智云端、机智云设备端和 SDK，如图26所示。APICloud 平台通过服务的方式将 API 提供给开发者，帮助开发者降低开发难度，缩短开发周期，迅速实现云端一体化。 图26机智云平台的基本构造 机智云平台作为国内最大的智能硬件自主开发和云服务平台主要涉及设备、云服务和手机三大部分。机智云中 WiFi 设备包含两个部分，一部分 GAgent 的作用是数据的转发，它是设备数据、云服务和手机之间的数据桥梁；另一部分 MCU 的作用是直接与硬件设备的通讯。 对于设备接入云端服务器有两种方式，本系统采用的是 MCU 方案，主要对该方案展开研究，机智云的接入导向如图27所示。将传感器采集到的状态信息通过总线方式发送至 MCU，智能硬件获取的信息通过 MCU 串口协议连接的通信模块 WiFi 发送至云端 API，WiFi 模块 GAgent 部分的作用就是发送数据。 图 27 MCU 与云端通信 5.2 APP 开发流程 对于泵站巡检系统来说，要在移动端 APP 上实现对泵站运行状态实时查询，对运行设备的控制管理，对历史状态的查询，警示提醒功能等。实现的第一步需要把存储在MCU 中的传感器采集到的泵站状态信息通过 WiFi 设备的 GAgent 功能发送至云端。首先将实体设备建立 Product Key，创建新的档案，系统自动生成 Product Key，如图28创建数据点。 图28创建设备数据点 在产品档案中创建一个应用，添加设备端数据通信口，设置数据传输形式，图29为传输形式的选择。 图29 选择硬件连接方案 在基本信息中找到 Product Key 对应的 Product Secret 的密钥，复制粘贴到 MCU 开发中的空白处，使得传感器数据点与 MCU 连接，生成源代码。将代码下载至本地，打开下载的文件复制 Gizwits 文件夹到泵站巡检系统的 KEIL 文件夹中，植入与机智云平台的连接代码，如图30。 图30 生成的硬件 MCU 连接代码 创建硬件设备端与机智云云端服务器的连接后，要进行 APP 的开发设计，良好的APP 软件可以更方便更直观的观测到泵站的状态，带来良好的用户体验，同时也会发挥出设备的价值，逐渐丰富对泵站的智能化设计。在 APICloud 平台上，植入机智云提供的 APP 源码，具体操作如下： 步骤一：在 GitHub 下载机智云提供的 APP demo 工程源码。 步骤二：将源码导入到 APICloud 中。在 APICloud 中每个应用都有自己的 ID，demo 程序中没有 ID，需要新创建一个项目，获取 ID。 步骤三：将下载的 demo 中的源码程序移植到新创项目中，参数配置为自己账户的数据。新创项目中的 config.xml 是 APICloud 提供的配置文件，包括 ID、账户、模块引入。每个项目的 config.xml 都不相同。 步骤四：将项目同步到云端。 步骤五：登录 APICloud 平台，找到 APICloud SVN 提交的项目，并进入项目管理页面。 步骤六：APICloud 会根据源码中使用到的模块自动添加相应的模块，再通过对模块库搜索 GizwifiSDK，手动添加机智云 SDK。 步骤七：此时的源码中还需要添加安卓和 IOS 的 APPID 和 APPSecret，并设置机智云创建的 ProductKey，需要从机智云官网中获取。 步骤八：点击菜单栏进行云编辑，选择运行平台，等待编译接受打包完成，下载安装包进行安装，安装成功便可通过 APP 进行测试。在手机 APP 开发过程中，可以根据不同的需求在源码中添加模块；还可以通过 UI 界面设计，使得 APP 界面变得美观整洁。 六、系统总体测试 6.1 WiFi 无线模块的调试 WiFi 模块作为泵站巡检信息无线传输阶段，对整个智能远程系统设计的优劣具有决 定性作用。通过闪烁 LED 灯来测试 WiFi 硬件电路的收发性能。图31为 WiFi 电路测试图。 图31 WiFi 硬件电路通信测试 完成对 WiFi 硬件电路功能测试后，需测试 WiFi 模块的网络通信功能。将 WiFi 模块通过串口与 PC 机连接，在 PC 机打开串口调试助手和网络调试助手。在网络调试助手上创建 UDP 协议，通过串口调试助手发送指令通过串口控制 WiFi 模块，完成 UDP协议配置并向指定的 IP 地址和端口号发送数据。 图32为 WiFi 通信测试时网络调试助手的配置与数据收发状态显示。 图 32 WiFi 通信测试 6.2 系统整体性能调试 通过实验对泵站智能巡检系统做整体性能测试。由于实验室条件有限，仅对泵站的水位、温度、电压、电流参数进行实时监控。在模拟现场安装液位传感器、温度传感器和电表采集实验设备的状态信息，采集到的信息经信号转换后通过 M-BUS 总线发送至主机控制端，再由主机控制端的 WiFi 模块上传至机智云云端服务器，在移动设备上登录巡检 APP 可实时查看泵站巡检的状态信息，实现远程监控泵站状态的要求，减少专人值守泵站的工作方式，提高泵站状态的预警管理模式。下图33、图34为实验室状态下模拟泵站巡检系统，图35为设计的 APP 与巡检系统通信图。 图33 实验室模拟泵站工作环境 图34 巡检采集过程 图35 APP 通信测试图 通过对泵站智能巡检系统的整体测试，显示该系统具有良好的实时性通信功能，系统性能稳定，可以适用于长时间泵站巡检工作，减少人力浪费，实现资源最优配置。 七 、 总结 本文研究的基于 M-BUS 总线的泵站智能巡检系统，对系统搭建模型进行调试实验，其运行结果验证了巡检系统的实时性和稳定性。现对本文工作总结如下： 1.确定了数据传输和巡检系统的总体方案，完成系统硬件搭建。对获取泵站运行状态参数的方式进行技术掌握后，对比几种有线数据传输方式的优缺点，确定选择 M-BUS总线为传输总线。系统主控芯片选用 STM32F103 型号单片机，并搭建电源电路、信号转换电路等外围功能电路。 2.对 M-BUS 总线接口做了自适应改进，在总线传输过程中，通过调节接口电路中的反馈电阻实现电路的自适应功能。 3.对泵站巡检系统中采集的参数信息采取卡尔曼滤波处理从而获取最优估计值；对卡尔曼算法进行预测改进，用于对泵站状态进行预测。通过设定阈值与采样值进行对比，分析故障状态。 4.基于机智云平台创建 APP，建立主机与 APP 之间的双向通信模式。工作人员通过登录移动 APP 账号，可对泵站运行状态信息进行实时查询。