基于智能仪表的液位控制系统设计

论文总字数：19973字

目 录

一、 绪论 3

1.1智能仪表与控制系统的结合 3

1.2控制系统网络化的在国内外的发展趋势及现状 3

1.3本课题的研究方向和特色 4

二、 液位控制系统硬件设计 4

2.1模块划分和系统设计 4

2.2控制模块设计 6

2.3蓝牙模块和异步串口通讯 7

2.3.1串口通讯 7

2.3.2蓝牙模块的设计 7

2.4水位传感器模块和ADC（模数转换） 8

2.4.1ADC的使用 8

2.4.2传感器模块的设计 9

2.5水泵模块设计 9

三、手机端软件设计 9

3.1App的设计与架构 10

3.2App数据库的设计和ORM 11

3.3界面设计 12

3.3.1水位展示界面设计 12

3.3.2统计界面设计 13

3.3.3历史纪录界面设计 15

3.3.4水位设置界面设计 17

四、 数据通信的设计 18

4.1串口通信在系统中的应用 18

4.2数据存储与发送策略 20

4.2.1数据判定的简单算法 20

4.2.2模糊PID算法 21

4.2.3简化数据判断方式 22

4.3数据发送 23

4.4Android端数据获取、存储和展示 23

五、结论 24

六、讨论 25

6.1场景描述 25

5.2仪表智能化在场景中的优势体现 25

参考文献 27

致谢 28

基于智能仪表的液位控制系统

张弛

，China

Abstract：This paper focuses on a remote control management system of liquid level, the STM32 as controller in the system, combined with the liquid level sensors, Bluetooth communication module and cell phone receiver.Take this system of study of today's process control system at home and abroad development situation and trends, explore a variety of intelligent network control system of direction and meaning. The system for fitting the current "smart home" the IOT main development direction, and can be applied not only in industry, but also can be used for home water heaters and other scenes of life.

The system combines software and hardware. Introduction of modular hardware design, easy to expand to accommodate a variety of scenarios, and ease of maintenance and repair. Hardware module for STM32 controller module, Bluetooth communication modules, sensor modules, pump module. Used part of the STM32 software written in c language, is responsible for data collection and transmission. Mobile is written in Java is responsible for the processing and storage of data, while a reasonable interface to control the behavior of the system.

The system of low cost, scope of application, the networking of control system is enlightening, creative mobile client replaces the traditional dashboard, cost savings while improving the ease of expanding the scenario.

Key words：stm32；Bluetooth communication；Sensor;Network;Mobile phone applications;

1. 绪论

1.1智能仪表与控制系统的结合

随着微电子技术的发展和工艺的不断改进，微型计算机额的处理能力获得了极大的提高，同时成本大为降低，使得传统仪表的结合成为可能，由此引发了传统仪表结构和定位的极大的改变。微型计算机带来的高处理能力、通讯能力和可扩展能力与传统检测能力的有机结合，产生了全新的“智能化仪表”。智能仪表在于传统仪表或测量方式的比较下，提高主要在以下几个方面：

（1）测量的自动化。智能仪表可以通过程序轻易的对测量时间、测量方式、测量频率

（2）数据存储能力。传统仪表在测量结束后数据无法存储数据，如不及时抄表，测量数据就毫无用处。

（3）通讯能力。智能仪表具有远程通讯能力，测量得到的数据不仅可以存储还可以发送到远端。使得数据能够及时的处理并可以根据数据处理结果对测量策略进行调整。

（4）智能仪表采用模块化的结构，按功能分为不同的模块。有效提高了仪表的可靠性和维护性，同时使仪表具有扩展性。具有扩展性的仪表可以针对不同应用场景进行定制，通过添加不同模块来满足不同的场景要求，使得可测量物理量大大增多。

技术的发展使得仪表智能化程度越来越高，也使得本来落后的测量技术产生了质的变化。虽然智能仪表只是看似简单的微处理器 传感器 通讯模块的结合，但是这种结合逐渐让传统的控制系统开始变得智能化。

1.2控制系统网络化的在国内外的发展趋势及现状

事实上，控制系统的网络化在微电子技术取得长足发展之后便登上舞台，成为快速发展的技术之一。自90年代以来，仪表的智能化浪潮开始，智能仪表的特点就是其发展方向的具体体现。

1.微型化。微型化。微电子技术、微机械技术、信息技术等的综合应用使得仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器，能够完成信号的采集、处理、控制信号的输出、放大、与其它仪器的接口等功能，在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域有着独特的作用^[1]。

2.多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点，例如具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器，不但性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案^[1]。
3.智能化。现代检测与控制系统，或多或少的趋向于智能化这个特点。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，这样就可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能^[1]。

4.仪器虚拟化。在虚拟现实系统中，数据分析和显示用PC机的软件来完成，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器VI（VirtualInstrument）。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。“软件就是仪器”。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，代表着当今仪器发展的新方向。^[1]
　 5.仪器仪表系统的网络化。一般的智能仪器仪表都具有双向通信功能，但这种双向通信功能离真正意义上的网络通信还有距离。伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术使仪器仪表在实现智能化的基础上同时实现网络化，使现场测控参量就近登临网络，并具备必要的信息处理功能^[1]。

在这些趋势中，网络化是其中极为重要的特性。如何实现这一特性，是仪表智能化的重要课题。在这一点上，大概演化了两个方向。一是使每一个仪表都具有单独的联通网络能力，给每一个仪表添加单独的wifi模块，使其可以与网络进行通讯。其二是在仪表中使用蓝牙或zigbee将多个模块与一个智能网关连接起来，然后借由网关同云端进行通讯。针对场景不同，通讯手段有所不同。其中生活化场景多采用第二种通讯方式，在家中部署一个集中数据的网关，使得家中所有的仪表与其相连，然后统一对数据进行发送处理。因为网关接受的数据来自多个仪表，这些仪表的协同更有利于对生活场景的刻画。

1.3本课题的研究方向和特色

在本课题中，除了体现智能仪表网络化这一特性外，还实践了仪表的虚拟化。用手机客户端取代传统的仪表盘，将数据的处理，仪表的控制和数据显示集成到手机中。相比传统仪表盘，手机客户端的形式更易于操作和远程控制，人机交互更为丰富。同时由于网络化的趋势，人们以大可不必在亲自到控制器前抄表，因此，实体表盘以变得可有可无。鉴于种种优势，本课题取消了传统的仪表盘，将仪表的智能化进行的更为彻底。同时，本课题以贴近生活场景为方向，结合在生活场景中的应用来完成这一课题。比如当前家中如热水器等用到液位基本只能依靠装满或预设液位来进行控制。这样使得大量资源被浪费。不妨设想一下，如若晚上只有一人在家，浴室热水器无需像平时一样烧满三个人使用的水，但这一点热水器却无从得知，它仍会烧平时一样多的水，这时就有大量的热能被浪费。事实上随着物联网的蓬勃发展，国内有许多团队都开始了他们的“万物相连”的道路，液位控制器的网络化也将是必然实现的。

1. 液位控制系统硬件设计

2.1模块划分和系统设计

在本系统中的硬件主要分为五个模块：供电模块、传感器模块、蓝牙通讯模块、控制器模块、水泵模块。其中控制模块为stm32，水泵模块为继电器和水泵组成，继电器起开关作用，模块图见图2.1.1，实物图见图2.1.2。

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