论文总字数：27242字

摘 要

大部分农村自来水厂存在设施不完善，水厂水务管理自动化程度低的问题。近年来，智慧物联网的思想不断普及，农村水厂自动化管理势在必行。其中，为提高地处野外的自来水厂进水口水位监测与控制的自动化程度，需要研制基于无线通信的远程液位自动控制系统。

本次课题设计基于NB通信技术的远程液位控制软硬件系统，主要根据自来水厂水务管理实际状况设计水池液位高度进行自动控制及检测数据存储。数据存储部分，需将数据发送至服务器，考虑到农村网络环境较差，使用NB-IoT模块进行数据传输。由于液位控制只需要研究离心泵开启和关闭对液位造成的变化，因此设计高低限启停离心泵的算法，防止离心泵反复启停过度消耗电能，保证液位稳定在水厂要求范围内。

通过查阅文献以及学习了解硬件系统设计过程， 完整设计出液位控制系统方案及画出原理图、PCB图，并通过制作、焊接完成硬件设计及实现；通过编程控制STM32单片机，完成基本软、硬件调试；数据发送功能基于SIM7000C模块实现。底层硬件与服务器的连接采用TCP协议，防止数据包丢失。液位采用基于上下限设定的开关量控制算法，获得了较好的控制效果。

关键词：NB-IoT，液位控制，单片机

Abstract

Most rural waterworks have problems with inadequate facilities and low automation of water management in waterworks. In recent years, the idea of smart Internet of Things has been popularized, and the automation management of rural water plants is imperative. In order to improve the control of the water inlet and water level monitoring which are in the wild water plant, it is necessary to develop a remote liquid level automatic control system based on wireless communication.

This project designs a remote liquid level control software and hardware system based on NB communication technology. It mainly designs the pool liquid level height for automatic control and detection data storage according to the actual situation of water management of Quanjiao Fu'an Waterworks. In the data storage part, the data needs to be sent to the server. Considering the poor rural network environment, the NB-IoT module is used for data transmission. Since the fluid level check only needs to investigate the fluid level change caused by the opening and closing of the centrifugal pump, the algorithm of designing the high and low limit start-stop centrifugal pump is adopted to prevent the centrifugal pump from repeatedly starting and stopping excessive consumption of electric energy, so as to ensure the liquid level is stable within the requirements of the water plant. .

Through reviewing the literature and learning to understand the hardware system design process, the liquid level control system scheme is completely designed and the schematic diagram and PCB diagram are drawn, and the hardware design and implementation are completed through fabrication and soldering; the basic software and hardware are completed by programming the STM32 single-chip microcomputer. Debugging; data transmission function is based on SIM7000C module. The connection between the underlying hardware and the server uses the TCP protocol to prevent packet loss. The liquid level adopts the switch quantity control algorithm based on the upper and lower limits, and obtains better control effect.

KEY WORDS:NB-IoT, liquid level control, single chip microcomputer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 NB-IoT通信技术 1

1.2.2 液位控制 3

1.3 研究内容和章节安排 5

1.3.1 主要内容 5

1.3.2 章节安排 5

第二章 系统总体方案设计 7

2.1 系统设计目标 7

2.2 系统框图与方案阐述 7

2.2.1 系统设计方案 7

2.2.2 系统框图 8

2.3 本章小结 12

第三章 系统硬件方案设计 13

3.1 系统硬件总体方案设计 13

3.2 电源模块电路 14

3.3 NB通信模块电路 15

3.4 串口电平转换电路 17

3.5 SIM卡接口电路 17

3.6 执行电路 18

3.7 数据采集电路 19

3.8 报警电路 19

3.9 本章小结 20

第四章 系统软件方案设计 21

4.1 数据通信模块软件设计 21

4.1.1 数据发送功能方案设计 22

4.1.2 数据接收功能方案设计 26

4.2 液位控制方案设计 28

4.3 本章小结 34

第五章 系统的运行与调试 36

5.1 系统运行结果 36

5.2 系统功能测试 37

5.2.1 测试数据记录 37

5.2.2 液位控制功能效果分析 38

5.2.3 系统数据连接的测试分析 39

5.3 本章小结 42

第六章 结束语 43

参考文献 44

致 谢 45

绪论

研究背景

随着很多行业对液位控制的需求日益增加, 液位控制技术正在不断发展。传统的各种纯机械电路控制液位，或者人为地控制液位都显示出很多弊端,比如准确度低,速度慢,灵敏度低,所以当代工业发展的需要得不到满足。为了满足人们的需求，可以通过增加液位自动控制功能来提高整个工业的生产效率，而要实现液位控制的自动化现在常常依靠单片机来实现。

目前从我国液位控制现状来看，在液位控制技术发展之前主要还是依靠人工进行监管。这不但降低了劳动生产率, 而且还不能高效和精确地将水位控制在一个指定的范围内。而课题来源于自来水厂对液位控制的智能化需求，旨在提升自来水厂自动化水平，省去其中人力资源的耗费。因为想保证居民不间断用水，自来水厂水池的存水不能为空，需要保持液位在一定上下限。液位达到下限，水池打水，补充水池存水。当液位达到上限，结束打水，防止水池溢出，带来不必要的危害。水池需设有报警高度，液位达到报警高度，水厂操作员需赶往现场排除相关异常。正因为这些各种方面的原因, 所以采用基于物联网通信技术的单片机控制水位的控制方案就达到了这一基本要求, 并且解决了这一重要问题。

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