摘 要：在日常生活中，精確測量液位有著多樣的應用需求。文章基于STM32微控制器及NB-IoT技術(shù)設計了一款液體液位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在實現(xiàn)對液體液位的精確測量、該地異常響應以及遠程云端監(jiān)控。通過液位傳感器實時采集液體液位數(shù)據(jù)，在STM32微控制器的作用下完成該地液位異常自動報警與響應，同時借助NB-IoT模塊的低功耗、廣覆蓋、強連接等特性，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。實驗驗證結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能良好，可以精確采集液體液位數(shù)據(jù)、該地響應正常、云端監(jiān)控可靠，能夠滿足應用需要。

關(guān)鍵詞：STM32單片機；NB-IoT；傳感器

中圖分類號：TP274；TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）20-0180-05

Design of Liquid Level Monitoring System Based on STM32 and NB-IoT

ZHA Qiming

（Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： In daily life， there are diverse application requirements for accurate liquid level measurement. This paper designs a liquid level monitoring system based on STM32 microcontroller and NB-IoT technology. The system is aimed at achieving precise measurement of liquid level， local abnormal response， and remote cloud monitoring. By using a liquid level sensor to collect real-time data on liquid level， the system can complete local automatic alarm and response to liquid level abnormalities with the help of the STM32 microcontroller. Meanwhile， leveraging the low power consumption， wide coverage， and strong connectivity features of the NB-IoT module， the system realizes remote monitoring and management. The experimental verification results show that the system performs well. It can accurately collect liquid level data， the local respond is normal， and cloud monitoring is reliable， meeting the application needs.

Keywords： STM32 Single-chip Microcomputer; NB-IoT; sensor

0 引 言

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能化控制技術(shù)被廣泛應用于各行各業(yè)。在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，液體存儲與管理有著廣泛的應用需求，如石油、化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)灌溉以及家庭用水系統(tǒng)等[1-3]。在上述應用場景中，實現(xiàn)液體液位的精準控制與實時監(jiān)測十分必要。傳統(tǒng)的液位控制方法較為依賴人工巡檢，存在效率低下且響應不及時等問題。因此，開發(fā)一種高效、精確、遠程可控的液體液位控制系統(tǒng)十分必要[4-5]。

STM32作為一款高性能、低功耗的微控制器，因其豐富的外設接口和強大的計算能力，在嵌入式系統(tǒng)設計中得到了廣泛應用。而NB-IoT（Narrowband Internet of Things）作為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)的一種，因其覆蓋廣、功耗低、連接穩(wěn)定等特點，非常適合用于遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。將STM32與NB-IoT技術(shù)結(jié)合，設計一款能夠?qū)崿F(xiàn)液位實時監(jiān)測及遠程管理的系統(tǒng)，可以大大提升智能化水平和運營效率[8-9]。

本文基于STM32及NB-IoT技術(shù)設計了一款液體液位監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32微控制器作為核心控制單元，結(jié)合高精度液位傳感器實時監(jiān)測液位變化，利用水泵等執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)液體液位[10]。

同時，通過集成的NB-IoT模塊，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的遠程傳輸與監(jiān)控管理，用戶可通過云平臺或手機APP實時查看液位狀態(tài)，并進行遠程操控。

接下來將從系統(tǒng)總體設計方案、硬件電路設計、軟件程序設計以及系統(tǒng)測試與驗證等方面詳細介紹該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程。并且通過實驗驗證，評估系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)的總體設計

該系統(tǒng)采用STM32作為控制核心，配置外接模塊和機構(gòu)，例如水位傳感器、水泵、報警裝置等用于實現(xiàn)系統(tǒng)的本地響應。此外通過低功耗NB-IoT模塊，將本地數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)的云端監(jiān)控管理。系統(tǒng)整體框圖如1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、液位檢測傳感器、OLED顯示器及NB-IoT模塊等組成，具體設計如下。

2.1 STM32最小系統(tǒng)

STM32是一款由意法半導體（STMicroelectro-nics）公司開發(fā)的高性能、低成本、低功耗的32位微控制器單元（MCU），它基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核，本系統(tǒng)采用的型號是STM32F103C8T6。其最小系統(tǒng)包括電源電路、晶振電路、復位電路等，原理圖如圖2所示。

2.2 液位傳感器設計

液位傳感器作為一種用于測量液體液位狀態(tài)的設備，廣泛應用于工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉和航空航天等領域。液位傳感器根據(jù)測量原理及應用場景的不同，可以分為多種類型。其中壓力式液位傳感器主要用于監(jiān)測儲罐和管道中液體的液位；光電式液位傳感器既可以應用于加濕器、凈水器、咖啡機、洗碗機等家用設備，還可以應用于商用設備、工業(yè)設備和醫(yī)療設備等。電容式液位傳感器主要應用于打印機、自動洗手液裝置、飲水機、醫(yī)療設備等。

本系統(tǒng)采用的是MSP20型液位傳感器，內(nèi)部裝配有精密的壓阻式壓力傳感器。該傳感器由一個受壓后能產(chǎn)生形變的彈性膜片和四個精密的壓電電阻器構(gòu)成，這些電阻器分布在膜片上，共同形成一個惠斯通電橋。當膜片受到水壓作用時，電橋的平衡狀態(tài)被打破，導致輸出一個與水深成正比的線性電壓信號。這一信號反映了管道內(nèi)因水深變化而變化的氣壓，從而可以計算出液位深度。傳感器的工作電壓為直流5.0 V，能夠輸出0～3 V的模擬信號，其中水位越深，輸出電壓值越大。該傳感器的檢測精度為1 cm，可覆蓋10～300 cm的檢測量程。其原理圖如圖3所示。

2.3 NB-IoT模塊設計

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）是一種基于蜂窩網(wǎng)絡的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，它使用窄帶通信技術(shù)和現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡基礎設施，為物聯(lián)網(wǎng)設備提供長距離、低功耗、廣覆蓋的連接方案。NB-IoT模塊集成了NB-IoT通信協(xié)議棧和相關(guān)硬件，通過RF芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為無線信號進行傳輸，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備與NB-IoT網(wǎng)絡的通信。因其低功耗、廣覆蓋和低成本的優(yōu)勢，被廣泛應用于工業(yè)監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等應用領域。本系統(tǒng)采用的是MN316型模塊，該模塊基于芯翼XY1100平臺，具有低功耗、小尺寸、全網(wǎng)通等特點，廣泛應用于智能抄表、智慧城市、智能家居、智能穿戴、智慧農(nóng)業(yè)等多種行業(yè)應用場景。支持Band3/Band5/Band8頻段，能夠接入移動、電信、聯(lián)通三家運營商的NB-IoT網(wǎng)絡。其實物及接線圖如圖4、圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 開發(fā)環(huán)境搭建

在本次液位測量系統(tǒng)的開發(fā)過程中，我們選擇了Keil MDK-ARM作為軟件開發(fā)環(huán)境。它是一款專為ARM Cortex-M系列微控制器設計的高級嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，它提供了一整套集成化的開發(fā)解決方案，包括代碼編輯、編譯、調(diào)試和仿真等。

3.2 主程序設計

在桌面系統(tǒng)中搭建工作環(huán)境后編寫代碼，代碼編譯后燒入主控芯片，上電運行時的工作流程如下：

1）系統(tǒng)初始化，主控及外接模塊初始化。

2）液位傳感器采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)分析處理后，參照閾值范圍控制水泵及報警裝置。

3）云端監(jiān)控，系統(tǒng)通過NB-IoT模塊將本地數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫似脚_，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。

4）循環(huán)監(jiān)測，云端監(jiān)控管理系統(tǒng)運行，并循環(huán)工作。

其主流程圖如圖6所示。

3.3 NB-IoT模塊軟件設計

本系統(tǒng)采用MN316模塊通過MQTT協(xié)議接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報和指令下發(fā)等任務。MQTT協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上，由IBM在1999年發(fā)布。該協(xié)議采用發(fā)布/訂閱模式進行消息傳輸，具有低開銷、低帶寬占用、實時可靠等優(yōu)點。在MQTT協(xié)議中，消息通過主題（Topic）進行發(fā)布和訂閱，發(fā)布者（Publisher）將消息發(fā)送到指定的主題，訂閱者（Subscriber）訂閱感興趣的主題并接收相應的消息。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為業(yè)界領先的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供了一站式的設備接入、設備管理、數(shù)據(jù)分析和應用開發(fā)服務，支持多種通信協(xié)議。

4 實驗驗證

4.1 本地檢測功能驗證

4.1.1 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試

系統(tǒng)主控芯片模塊通過杜邦線連接外部模塊，在整體上電前，先依據(jù)PCB設計圖排查硬件焊接是否正確。隨后根據(jù)設計圖，針對各外部模塊獨立編程，進行單元測試，驗證系統(tǒng)硬件模塊正常。其次按照系統(tǒng)整體任務要求，完成代碼編程，編譯后燒入系統(tǒng)。

4.1.2 液位檢測功能驗證

在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試完畢后，著手驗證系統(tǒng)本地檢測功能。在室溫環(huán)境下，搭建測試場景，用圓柱形玻璃瓶盛放液體，將液位傳感器及水泵置入玻璃瓶中，隨后給系統(tǒng)供電。

系統(tǒng)正常運行，液位傳感器將采集到的液位數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控芯片，經(jīng)處理后由OLED顯示檢測結(jié)果，用紙筆記錄下傳感器采集到的檢測結(jié)果。同時，在玻璃瓶外部用游標卡尺測量液位高度，也記錄下來。

此時，通過手動控制水泵注入或抽出一定量液體，待液位穩(wěn)定后，再次記錄下傳感器采集到的結(jié)果，同時再次用游標卡尺測量高度。共計采集9組數(shù)據(jù)，如表1所示。

4.1.3 結(jié)果分析

由表1可以看到，隨著水泵注入液體后，傳感器檢測結(jié)果上漲，但是與游標卡尺測量結(jié)果有一定的誤差，誤差范圍在±0.4 cm以內(nèi)。隨著水泵抽出液體，傳感器檢測結(jié)果也同步改變，誤差范圍與上漲過程近似。

通過上述分析可知，該系統(tǒng)的本地檢測功能是正常的，測量誤差對于智能家居等民用場景，是可以接受的。

4.2 云端監(jiān)測管理驗證

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為業(yè)界領先的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報和指令下發(fā)等任務，具有開發(fā)迅速、管理便捷及高兼容性等優(yōu)勢。本系統(tǒng)基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)云端監(jiān)控和管理，以下為實驗驗證過程：

1）創(chuàng)建測試實例。在創(chuàng)建測試實例前，首先要完成賬號注冊認證等前置工作，其次在平臺產(chǎn)品中開通公共實例，然后創(chuàng)建產(chǎn)品和設備。

2）定義產(chǎn)品物模型，即將實際產(chǎn)品抽象成由屬性、服務和事件所組成的數(shù)據(jù)模型，用于物聯(lián)網(wǎng)平臺管理和數(shù)據(jù)交互。本次實驗在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中定義了液位和溫度兩個物模型。

3）設備上報數(shù)據(jù)驗證。將設備與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立連接后，在本地搭建測試環(huán)境，把液位檢測傳感器置于測試用具中。首先向測試用具注入一定量液體，靜置數(shù)秒時間待本地設備采集數(shù)據(jù)完畢后，觀察阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

隨后，再次向測試用具注入液體，依舊靜置數(shù)秒時間待設備采集數(shù)據(jù)完畢后，再次觀察云端監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示。

對比圖7和圖8中物模型數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)由于本地再次注入液體導致液位上漲，云端監(jiān)測數(shù)據(jù)改變，表明云端監(jiān)測功能正常。

4）云端下發(fā)指令驗證。當設備檢測到的液位超過閾值范圍時，系統(tǒng)會控制水泵工作從而注入或者抽出液體，除此之外還可以通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)指令控制設備運轉(zhuǎn)。指令下發(fā)頁面如圖9所示，當指令下發(fā)成功后，系統(tǒng)會根據(jù)液位判斷控制水泵工作，本地檢測結(jié)果如圖10所示。

從上述檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，云端指令下發(fā)后系統(tǒng)可以依照指令工作，云端管理功能正常。

5 結(jié) 論

本設計以STM32芯片作為控制核心，通過集成MSP20型液位檢測傳感器，實現(xiàn)了對液體液位的實時精確采集。同時借由MN316型NB-IoT模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控與管理。實驗驗證表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，為液位監(jiān)控提供了一種高效、便捷的解決方案。在智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，本設計可以無縫集成到智能家居系統(tǒng)中，為家庭用水管理、泳池維護、水族箱養(yǎng)護等場景提供實時液位監(jiān)控管理。

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作者簡介：查啟明（1992—），男，漢族，安徽鳳陽人，助理實驗師，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)裝置設。