一种远程液位监测系统

1.本技术涉及液位检测领域，具体涉及一种远程液位监测系统。


背景技术：

2.液位检测涉及工业生产和社会生活等众多领域，液位检测在工业生产和社会生活中具有重要地位，液位检测有着巨大的市场前景。随着社会生产的自动化比重不断增加，液位检测技术面临新的挑战，液位测量仪也要不断与时俱进。微电子技术、集成电路技术、互联网技术的发展使得液位检测取得巨大的变革。集成电路技术运用使得液位检测仪趋于微型化，应用灵活、精度更高、功耗更低。微电子技术促使液位检测朝着智能化方向发展，具备自我诊断功能、以及故障报警功能、数据传输功能等。互联网技术的运用使得液位检测数据可以实时上传，在终端显示和存储，便于查询和管理。用nb-iot技术实现的液位采集系统，实时性强，安全可靠，整个系统具有网络覆盖范围广、系统抗干扰能力强、通信速度快、通信误码率低。随着nb-iot网络技术的不断发展，构筑在nb-iot网上的远程无线液位采集系统必将与移动通信技术发展同步，具有非常广阔的应用前景。总的来说，更小巧的体积、更强大的功能、更高的测量精度、以及互联网技术在液位检测方面的运用是未来的发展的趋势。


技术实现要素：

3.本技术采用nb-iot技术，使得液位检测数据可以实时上传，在终端显示和存储，便于查询和管理。
4.为实现上述目的，本技术提供了一种远程液位监测系统，包括：超声波模块、中央处理模块、显示模块、按键模块、报警模块和存储模块；
5.所述超声波模块用于监测液位数据，并将所述液位数据传输至所述中央处理模块；
6.所述中央处理模块用于处理所述液位数据；
7.所述显示模块用于将处理后的所述液位数据进行显示；
8.所述按键模块用于设置阈值；
9.所述报警模块用于当所述液位数据超过所述阈值时进行报警；
10.所述存储模块用于存储所述液位数据。
11.优选的，超声波模块的工作流程包括：通过超声波测距原理得出所述液位数据，并将所述液位数据传输至所述中央处理模块进行处理。
12.优选的，所述中央处理模块以stm32单片机和外部的电阻、晶振和电容构建而成，接收所述液位数据并进行处理，整体协调所述远程液位监测系统的工作。
13.优选的，所述按键模块的工作流程包括：用户通过按键模块提前设置阈值，所述阈值包括液位上限和液位下限。
14.优选的，所述报警模块的工作流程包括：当所述液位数据高于所述液位上限或低于所述液位下限时，所述报警装置采用发光二极管进行液位报警。
15.优选的，所述存储模块包括：nb-iot单元和云平台；
16.所述nb-iot单元用于将处理后的所述液位数据上传至所述云平台；
17.所述云平台用于存储处理后的所述液位数据。
18.优选的，所述nb-iot单元采用42pinlcc封装，电压工作范围为2.1-3.6v，工作温度范围为-40℃到+85℃。
19.优选的，所述云平台采用onenet平台，用于存储所述液位数据。
20.与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
21.本技术采用nb-iot技术实现的液位采集系统，实时性强，安全可靠，整个系统具有网络覆盖范围广、系统抗干扰能力强、通信速度快、通信误码率低。此外，本技术拥有更小巧的体积、更强大的功能和更高的测量精度，随着nb-iot网络技术的不断发展，构筑在nb-iot网上的远程无线液位采集系统必将与移动通信技术发展同步，所以本技术具有非常广阔的应用前景。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本技术实施例的系统结构示意图；
24.图2为本技术实施例的总电路结构示意图；
25.图3为本技术实施例的stm32单片机的最小系统原理图；
26.图4为本技术实施例的stm32单片机的复位电路示意图；
27.图5为本技术实施例的晶振电路示意图；
28.图6为本技术实施例的下载电路示意图；
29.图7为本技术实施例的稳压电路示意图；
30.图8为本技术实施例的超声波模块电路示意图；
31.图9为本技术实施例的显示模块电路示意图；
32.图10为本技术实施例的按键模块电路示意图；
33.图11为本技术实施例的报警模块电路示意图；
34.图12为本技术实施例的nb-iot单元电路示意图；
35.图13为本技术实施例的系统软件总流程示意图；
36.图14为本技术实施例的超声波模块软件示意图；
37.图15为本技术实施例的显示模块软件示意图；
38.图16为本技术实施例的案件模块软件示意图；
39.图17为本技术nb-iot单元软件示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
42.如图1所示，为本实施例系统结构示意图，包括：超声波模块、中央处理模块、显示模块、按键模块、报警模块和存储模块。超声波模块通过超声波测距原理得出液位数据，将数据传输给中央处理模块进行数据处理；显示模块将处理后的数据显示出来，存储模块中的nb-iot单元将数据上传到云平台。用户可以通过按键模块提前设置阈值(液位的上下限)，然后当超声波检测出来的液位高于上限或者低于下限发出报警，采用发光二极管进行液位报警。上述液位检测系统的电路图如图2所示。
43.本实施例中，中央处理模块以stm32单片机和外部的一些电阻、晶振、电容等构建而成为主控芯片；其中，stm32单片机采用两路超声波传感器对液位进行检测，将采集的液位数据传输给stm32单片机进行数据处理。其作用主要为接收来自各模块的信号并对其进行处理，然后按照所编写的逻辑语言程序运行，将需要执行的命令信号再发往各模块，主要负责协调各个模块的共同工作；上述stm32单片机的最小系统原理图如图3所示。
44.当按键开关为关闭状态时，电源系统就会变成回路，在这个时候复位引脚的电压相比电源按键的电压是一样的，为5v高电平，单片机发出复位指令。复位电路图如图4所示。通常，由晶振电路提供的时钟频率越高，单芯片微计算机的操作速度越快，系统效率越高。在晶体振荡器电路的设计中，必须注意晶体振荡器频率的选择。晶振电路如图5所示。下载电路为程序下载的一个端口，把预先编写好的程序编译成一个单片机可以认识的数字编码，然后通过这个环节烧写进单片机之中，让单片机开始工作起来。下载电路如图6所示。稳压电路用于恒定系统中的电压值，避免受到外接电压的干扰而影响到此系统的正常工作。在设计稳压模块之后，进行网络上各位设计者们的方案分析，找到了更适合本实施例开发所使用的电源稳压电路，主要有稳压芯片、电容构成，具体电路如图7所示。
45.在本实施例中，超声波模块选用aj-sr04m-t-x超声波测距装置，这个装置用收发一体的超声波探头测量范围在20cm-800cm之间相对盲区较少，需要3.3-5v电源供电，较小的体积使得该超声波模块使用起来灵活方便，并且该模块测量精度高，使用同时这款超声波模块抗干扰能力强，防水可以在室外长期的工作，能够适应各种恶劣环境，成本较低，功耗低。
46.如图8所示，超声波模块接收到来自单片机的控制信号后，发出超声波脉冲遇到液面后返回，超声波模块接收回波信号后将数据传送给单片机，通过回波时间可以求得液面与超声波探头之间的距离。超声波模块采用两路超声波传感器，将液位数据传输给stm32单片机，超声波模块采用3.3v电压供电。stm32单片机的pb8与u2的trig引脚相连，将pb8引脚置低一次，超声波测距模块发出超声波脉冲，echo引脚向pb9发送回响信号。
47.显示模块显示距离信息，两路超声波探头将测量的液位数据传给stm32单片机，将处理后的液位数据由液晶屏显示，液晶屏显示两路超声波测量距离，切屏后显示两路超声波测量的阈值。如图9所示，本实施例的显示模块采用了pcf8547t电路和lcd1602显示屏，将pcf8574t电路的输出端与lcd1602显示屏直接连接在一起，stm32单片机的sda串行数据线、scl串行时钟线与pcf8574t输入端sda、scl相连，然后用3.3v电源供电。
48.如图10所示，本实施例中，用按压式开关作为按键模块，将按键的两个引脚，一端与stm32单片机io口相连，另一端与地相连。当有按键按下，等于把io口电压拉低，当对io进行检测，若为低电平，说明有按键按下。本次设计了4个按键，key1是进行切屏,最初显示超声波模块的数据测量结果，通过按键显示出设置界面，用户可以看到两路超声波测距模块的阈值上下限，key2是用来切换两路超声波阈值上下限的，然后通过key3完成数值的增加，key4按键来完成数值的降低。两路超声波的阈值上下限可以独立调节。将key1与单片机的a12引脚连接、key2与单片机的a11引脚连接、key3与stm32单片机的b13引脚连接、key4与单片机的b14引脚连接，另一端的引脚全部接地，按下按键后相应的io口处于低电平，stm32单片机的io口输入低电平，随后单片机执行相应的功能。
49.如图11所示，报警模块设置了四个led灯，有两路超声波测量模块，d1、d2、d3、d4为两路超声波测量模块的阈值报警灯。当第一路超声波模块的测距值大于设定的阈值上限d1灯亮，若小于设定的阈值下限d2灯亮，若处于阈值范围内d1、d2均不亮；当第二路超声波模块的测距值大于设定的阈值上限d3灯亮，若小于设定的阈值下限d4灯亮，若处于阈值范围内d3、d4均不亮。发光二极管d1的反向端接入电阻r1与c13引脚相连，发光二极管d2的反向端接入电阻r2与c14引脚相连，发光二极管d3的反向端接入电阻r3与c15引脚相连，发光二极管d4的反向端接入电阻r4与a0引脚相连，发光二极管d1、d2、d3、d4的正向端均与3.3v相连。当单片机的相应的引脚处于低电平时发光二极管进行阈值报警。
50.本实施例中，nb-iot单元选用sim7020c型号，采用42pinlcc封装，在2.1-3.6v电压范围内可以工作，多数情况以3.3v电压供电，-40℃到+85℃是该芯片的工作温度范围。sim7020c支持b1/b3/b5/b8多频段通讯，该芯片的数据传输的上行和下行速率分别为62.5kbps、26.15kbps。支持at指令操作、同时它还具备丰富的硬件接口，例如串口、gpio、adc等，因此该模块具备丰富的扩展性。
51.sim7020c该型号功耗较低、体积小巧、价格不高、工作状态稳定，可以适应客户多种需求，有利于用户进行产品开发。该模块进行数据发送时延迟不高，功耗较低，适用于发送的数据量较小的情况。该模块适用于应用于智能仪表、远程监测与控制、共享单车等。sim7020c的主要性能表如表1所示。
52.表1
[0053][0054]
如图12所示，stm32单片机的pa4通过一个上拉电阻与对nb-iot单元的pwr进行控制，pa4口进行开关机控制，输出低电平有效。pa5与sta相连，可以完成开关机状态指示输
出。进入初始化过程的条件是pa5输出低电平，初始化过程完成的条件是pa5输出高电平。pb10与rxd相连，rxd接收pb10的数据，txd与pb11相连，txd向pb11发送数据。
[0055]
为了完成上述的功能，本实施例的软件设计应该包括以下几个方面，系统初始化、超声波模块的发射与接收、数据显示以及报警、液位信息的上传等功能。
[0056]
如图13所示，基于nb-iot的远程液位监测系统的软件总体设计，首先进行上电初始化，判断超声波1、超声波2、lcd1602是否进入初始化，并对sim7020c进行设置。stm32单片机控制两路超声波模块进行数据采集并将数据传输给stm32单片机进行数据处理，stm32单片机将处理后的数据由显示模块实时显示，nb-iot单元将stm32单片机处理后的数据采集上传至中国移动onennt云平台，在上述远程液位监测系统连接的终端上显示当前液位信息和历史液位曲线。stm32单片机对处理后的数据进行判断，若超声波模块1液位数值超过阈值上限，则led灯1亮，若超声波模块1液位数值超过阈值下限，则led灯2亮。
[0057]
如图14所示，为超声波模块的软件设计示意图。首先对超声波模块进行初始化，启动发射器开始进行定时直到收到回波结束计时,将测量的时间间隔进行存储计数器数值+1,再将计数值与5进行比较若小于等于5则返回初始化之后继续进行时间间隔计算并存储，否则求取5次时间间隔平均值并计算距离。
[0058]
如图15所示，为显示模块的软件设计示意图。显示模块采用了lcd1602液晶显示，这是种最常见的液晶显示，操作起来方便，使用简单，显示数据的整体流程首先要对液晶显示进行初始化，然后送入要在哪一个地址显示的地址数据，再送入要显示的数据即可，但是要注意的是，1602液晶显示是字符屏，送入的显示的数据必须是字符。显示模块可以显示超声波测量模块的液位信息，同时还可以显示两路超声波测量模块的阈值上下限。
[0059]
首先对lcd液晶显示模块进行初始化，通过stm32单片机的地址端口将相应的地址信息送入lcd液晶显示屏，随后单片机将收到的数据处理后，送入lcd液晶显示屏，lcd液晶显示屏根据stm32单片机的送入的地址和数据，最终完成显示功能。
[0060]
如图16所示，为按键模块的软件设计示意图。用按压式开关作为按键模块，将按键的两个引脚，一端与stm32单片机的io口相连，另一端与地相连。当有按键按下，等于把io口电压拉低，当对io进行检测，若为低电平，说明有按键按下。这次设计一共用了四个按键，一个是进行lcd显示屏的切换，一个是对两路超声波阈值上下限的选择，一个是数据加，一个是数据减。首先对按键是否按下进行判断，按键按下会触发低电平，当检测到低电平时不是立即判断按键按下，而是先执行一段延时程序，再次判断按键是否按下。没有按下继续扫描，若按下扫描键值，该此按键扫描结束，开始进行下一轮扫描。
[0061]
如图17所示，为nb-iot单元的软件设计示意图。首先对nb-iot单元的sim7020c进行初始化，再对sim7020c进行设置，判断sim7020c网络连接是否成功，不成功重新进行连接，如果网络连接成功则将液位数据进行上传，再次判断液位信息是否上传成功，不成功重新进行上传，如果上传成功液位信息会在终端显示并绘制液位历史曲线。
[0062]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种远程液位监测系统，其特征在于，包括：超声波模块、中央处理模块、显示模块、按键模块、报警模块和存储模块；所述超声波模块用于监测液位数据，并将所述液位数据传输至所述中央处理模块；所述中央处理模块用于处理所述液位数据；所述显示模块用于将处理后的所述液位数据进行显示；所述按键模块用于设置阈值；所述报警模块用于当所述液位数据超过所述阈值时进行报警；所述存储模块用于存储所述液位数据。2.根据权利要求1所述的远程液位监测系统，其特征在于，超声波模块的工作流程包括：通过超声波测距原理得出所述液位数据，并将所述液位数据传输至所述中央处理模块进行处理。3.根据权利要求1所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述中央处理模块以stm32单片机和外部的电阻、晶振和电容构建而成，接收所述液位数据并进行处理，整体协调所述远程液位监测系统的工作。4.根据权利要求1所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述按键模块的工作流程包括：用户通过按键模块提前设置阈值，所述阈值包括液位上限和液位下限。5.根据权利要求4所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述报警模块的工作流程包括：当所述液位数据高于所述液位上限或低于所述液位下限时，所述报警装置采用发光二极管进行液位报警。6.根据权利要求1所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述存储模块包括：nb-iot单元和云平台；所述nb-iot单元用于将处理后的所述液位数据上传至所述云平台；所述云平台用于存储处理后的所述液位数据。7.根据权利要求6所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述nb-iot单元采用42pinlcc封装，电压工作范围为2.1-3.6v，工作温度范围为-40℃到+85℃。8.根据权利要求6所述的远程液位监测系统，其特征在于，所述云平台采用onenet平台，用于存储所述液位数据。

技术总结
本申请公开了一种远程液位监测系统，包括：超声波模块、中央处理模块、显示模块、按键模块、报警模块和存储模块；超声波模块用于监测液位数据，并将液位数据传输至中央处理模块；中央处理模块用于处理液位数据；显示模块用于将处理后的液位数据进行显示；按键模块用于设置阈值；报警模块用于当液位数据超过阈值时进行报警；存储模块用于存储液位数据。本申请采用NB-IoT技术实现的液位采集系统，实时性强，安全可靠，整个系统具有网络覆盖范围广、系统抗干扰能力强、通信速度快、通信误码率低。通信误码率低。通信误码率低。


技术研发人员：卢超
受保护的技术使用者：陕西理工大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/7/4