摘 要

远程液位监控系统在现代工业和水利部门的运作工程中起着非常重要的作用，可以实现对重要化学液体和河道水位的远程无线监测。为了降低远程监控的维护成本，本文设计了出基于先进的NB-IoT（窄带物联网）网络进行数据采集及传输的系统。

论文在单片机STM32F103C8T6最小系统和NB-IoT网络的基础上设计远程液位监测和控制的系统。分为超声波传感器、NB-IoT网络传输和和远程监控三部分。通过超声波测距的原理设计出测距算法来计算液位的高度，单片机将采集到的数据封装处理然后通过串口发送给无线传输模块，同时尝试与云平台进行网络连接。无线传输模块发送符合Modbus协议格式的数据，这个过程基于NB-IoT网络，云平台接收到数据之后就可以把液位高度的信息实时显示出来。为了方便用户对下位机进行监测与操控，设计了在PC端运行的程序，通过网络请求获取透传云平台的数据，可以一站式完成数据的监测、处理以及液位高度的控制功能。上位机和下位机共同协作，完成液位监测、传输及控制的要求。

本文设计的监控系统通过验收了软硬件验收，功能正常，实现了预期功能。

关键词：STM32F103C8T6单片机 超声波 NB-IoT Modbus协议

The Design of Liquid Monitoring,Transmission and Control System Based on NB-IoT

Abstract

The remote liquid level monitoring system plays a very important role in the operation of modern industrial and water conservancy departments, enabling remote wireless monitoring of important chemical liquids and river water levels. In order to reduce the maintenance cost of remote monitoring, this paper designs a system based on advanced NB-IoT network for data acquisition and transmission.

The paper designs a remote liquid level monitoring and control system based on the STM32F103C8T6 minimum system and the NB-IoT network. It is divided into three parts: ultrasonic sensor, NB-IoT network transmission and remote monitoring. The distance measurement algorithm is designed by the principle of ultrasonic ranging to calculate the height of the liquid level. The MCU encapsulates the collected data and sends it to the wireless transmission module through the serial port, and tries to connect to the cloud platform at the same time. The wireless transmission module sends data conforming to the Modbus protocol format. This process is based on the NB-IoT network. After receiving the data, the cloud platform can display the liquid level height information in real time. In order to facilitate the user to monitor and control the lower computer, a program running on the PC is designed to obtain the data of the transparent cloud platform through the network, and the data monitoring, processing and liquid level control functions can be completed in one station.

The monitoring system designed in this paper has passed the acceptance of software and hardware acceptance, and the function is normal, and the expected function is realized.

Key Words:STM32F103C6T8 SCM; Ultrasonic; NB-IoT;Modbus Protocol

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 本课题研究背景和意义 1

1.2 国内外发展与研究现状 2

1.3 研究内容 3

第二章 系统架构与总体设计方案 4

2.1 系统结构 4

2.1.1下位机系统框图 4

2.1.2 上位机系统框图 4

2.2 系统工作原理 5

第三章 硬件选择 6

3.1 单片机的选择 6

3.2 NB-IoT传输模块的选择 8

3.2.1 无线传输模块选择 8

3.2.2 物联网云平台的选择 10

3.2.3 CoAP数据传输模式介绍 10

3.3 超声波测距模块HC-SR04 12

3.3.1 模块介绍 12

3.3.2 超声波测距原理 12

3.4 1.44吋LCD显示模块 13

3.5 有源蜂鸣器 14

第四章 硬件电路设计 15

4.1 单片机最小系统搭建 15

4.2 系统电源与稳压部分 17

4.2.1 蓄电池供电 17

4.2.2 7.4V转5V稳压电路 17

4.3 超声波测距与报警部分 18

4.4 NB-IoT数据传输部分 20

4.5 LCD显示屏部分 21

第五章 基于NB-IoT网络的数据传输 22

5.1 NB-IoT网络信息传输流程 22

5.2 AT指令集 23

5.3 MODBUS协议 25

5.4 透传云平台的使用 26

第六章 软件系统设计 29

6.1 开发环境搭建 29

6.1.1 Keil μVision 5环境创建 29

6.1.2 QT环境创建 32

6.2 软件系统流程图 34

6.2.1 下位机软件系统流程图 34

6.2.2 上位机软件系统流程图 35

6.3 超声波测距程序设计 37

6.5 LCD显示屏程序设计 38

6.6 无线传输程序设计 39

6.7 上位机远程监测程序设计 41

第七章 系统调试及结果分析 45

7.1 系统调试 45

7.1.1 下位机系统调试 45

7.1.2 上位机系统调试 49

7.1.3 系统软硬件联调 51

7.2 调试结果与分析 51

总结与展望 53

参考文献 55

致谢 58

附录一 原理图 59

附录二 硬件PCB图 60

附录三 元器件清单 61

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