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基于安卓系统的水涡轮特性参数无线监测系统

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6 l■etc.The results of field—test show that the lower machine can accurately receive and process data trans— mitted by sensor,the upper machine and Android client can both receive,process data as well as draw curves in particular data link,which greatly improves the experience of users,human—computer intera— ction,system expansion and migration. Key words:hydraulic turbine;STM32;wireless monitoring system;Android 中国作为传统的农业大国,水资源总量虽然丰 富,但人均占有量只有世界人均水平的1/4,其中农 业用水约占全国水消耗总量的60%以上,在农业领 域推进节水灌溉对保障国家供水及粮食安全、恢复 和建设良好生态系统均具有重大意义l1j.卷盘式喷 灌机是20世纪70年代左右在移管式喷灌机基础上 改进而来的一种新颖的喷灌机设备.卷盘式喷灌机 作为能够节水灌溉的大中型喷灌设备,已在欧美及 中东地区获得广泛应用 .中国自20世纪90年代 以来对卷盘式喷灌机的研究与应用均取得了较大 的发展,但仍存在着系统功耗较大、效率较低等不 足之处,亟须改进. 国外对流体机械类测试平台研发较早,获得的 成果也较丰富.早在1961年,英国国立工程实验室 (NEL)就建立了可用于泵及水涡轮等流体机械性 能参数测量的水力试验台并利用计算机实现参数 的自采集与处理,虽然受限于当时的计算机处理能 力,但整个系统已拥有现代计算机测试的雏形 . 西德的KSB、瑞士的苏尔康等公司也设计了自己的 水力测试装置,但测试系统缺乏嵌入式处理、整体 效率较低、售价较贵等不足仍然限制其更大范围的 应用[4j.1986年,美国国家仪器公司(NI)推出了在 自动化测试领域具有划时代意义的Labview图形化 开发环境,Labview利用图形模块数据流代替传统的 文本式编程语言,拥有一个完成任何任务的函数 库,先进的设计理念以及NI公司持续不断的大力改 进使得Labview在工程测试领域获得广泛的应用. 中国对流体机械类测试系统研究起步较晚,在20世 纪80年代以前基本依靠手工操作仪器仪表完成参 数的采集与数据的处理,在此之后有越来越多的学 者投身于测试自动化装置的研究.1981年,张丰 等 基于异步电动机定转子电流频率间的差异,利 用现代电子技术较好地解决了潜水泵水下工作环 境参数检测不易获取的难题.1997年,汤跃等。。 系 统介绍了泵系列机械测试装置的几种组态,指明了 不同组态的优缺点与应用场景.进人2l世纪以来, 中国学者对流体机械类测试系统的研究日益广泛. 2003年,马俊功等 利用虚拟仪器设计实验室智能 泵测试系统,完成试验过程的实时控制、工况转换, 对所获取的数据能以图表的形式输出显示.2008 年,王子磊 针对潜油电泵测试内容多、运行工况 复杂等实际情况,利用可编程控制器(PLC)和图 形化开发框架Delphi完成潜油电泵的软硬件设 计,虽然达到了预期要求,但日渐没落的Delphi对 网络和跨平台的支持均较差.2015年,顾哲等 搭 建以MsP430单片机为核心的水涡轮参数测量系统 以解决数据采集的同步与精度问题,但缺少相应的 上位机对数据做进一步的处理.智能手机是近几年 在日常生活领域获得广泛普及的便携式移动设备, 国内外已有学术机构或企业将智能手机应用到工 业过程如医疗设备、智能家居、汽车、农业等行 业H ”J,但鲜有学术报道智能手机在传统流体机械 类测试中的应用. 文中针对现有研究的一些不足,将无线数据传 输技术(NRF24L01,蓝牙)、支持跨平台部署的图形 应用程序开发框架Qtll 以及移动终端设备相结合, 数据处理采用最小二乘法进行曲线拟合,设计一种 人机交互友好、功能强大、可手持的水涡轮水力特 性参数无线监测系统. 1 系统设计 水涡轮参数监i贝0系统的试验台如图1所示.其 中,提供水涡轮动力的动力室因为巨大的工作噪声 经常不和水涡轮真正的试验场所处在同一场地,所 以设计将流量数据经NRF24L01无线数传模块传输 到主处理模块中.进出口压力的采集使用压力传感 器,传感器输出与压力呈线性关系的电流.转矩转 速传感器安装在水涡轮的轴上,输出为与转矩转速 呈线性关系的频率信号.电磁流量计输出为与流量 大小呈线性关系的频率信号.磁粉制动器通过调节 与其连接的磁粉控制器模拟施加在水涡轮上的 负载. 水涡轮水力特性参数监测系统主要由3个部分 组成,如图2所示.第1部分为基于STM32的数据 接收、处理、发送模块.整个水涡轮需要采集水涡轮 ■■lu -|c 进出口压力、流经水涡轮的流量、水涡轮转速及转 主STM32模块通过nRf24II)1进行接收. 矩.第2部分为基于安卓手机的APP,它将通过蓝牙 模块与主控制器通信,获取相关数据,进行显示、存 储、绘制曲线等动作.第3部分为基于Qt的上位机 处理软件.其中,以STM32为核心的数据接收处理 模块是整个系统的基础.压力传感器输出4~20 mA 的电流,此电流流经250 Q的精密电阻,电阻两端的 电压引入电压调理模块,STM32的对应GPIO口配 文中在现有理论与技术的基础上提出一种水 涡轮水力特性参数无线监测系统.采用nRI ̄24L01 与蓝牙模块进行模块与模块、模块与手机问的数据 通信,能有效地避免传统基于单片微控制器的电子 系统间复杂冗余的线路连接,并利用现代移动终端 设备强大的硬件能力进行在线的数据处理.传统的 上位机处理软件只针对特定的硬件平台,技术人员 置为ADC模式,测量对应的电压.转矩转速传感器 的输出均为频率信号,STM32将设置对应GPIO口 仍需经过较大的努力才能将程序移植到不同的平 台上,本系统使用c++图形用户界面程序开发框架 Qt编制上位机,能更好地适配现代工业环境下的多 系统情况. 阀门 为输入捕获模式测量频率输入信号.流量数据在子 模块上处理后通过nRF24L01无线数传模块发送, 进口压力传感器 水涡轮 出L J压力传感器 流量计 图1 水涡轮水力特性参数监测系统示意图 (基于Ot的上位机监控软件) 图2水涡轮参数监测系统总体结构 I 1ci5l■ 2系统硬件设计 文中测试系统采用STMicroelectronics公司的 STM32F103RBT6作为系统的主控芯片.STM32F103 3系统软件设计 3.1蓝牙传输及数据处理 本系统中,基于STM32的下位机监测系统将最 系列基于Codex—M3 ARM 32位RISC架构,拥有高 达72 MHz的主频,可选容量的FLASH和SRAM;丰 富的增强型I/0口,可以根据需要配置合适的模式; 所有型号均包含2个12位的ADC、3个通用l6位 终通过蓝牙与安卓客户端进行数据通信.蓝牙通讯 是一种在现代手持式设备上使用方便、快捷的通信 技术.蓝牙规范主要包括核心协议(core speciifea— tion)与应用剖面(profile) 17],其芯片内部主要包括 定时器和1个PWM定时器、2个I2C接口和SPI接 口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN 接口 15]. 本系统主要完成水涡轮水力特性参数和轴输 出特性参数的监测.水涡轮水力特性参数包括水涡 轮的进出口压力、流经水涡轮的流量,轴输出参数 包括水涡轮输出转矩和转速. 水涡轮进出口压力测量传感器采用+24 V直 流电源供电,输出4~20 mA电流.压力测量模块使 用精度为0.I%的250 Q的精密电阻进行I//V转 换,将4~20 mA电流转换为1~5 V电压.因为系统 中STM32采用3.30 V的电源供电,所以STM32的 ADC输入不能超过3.30 V,故制作基于TL082D运 放的电压比例缩小电路,将1~5 V的电压转换成 0.66~3.30 V可供STM32 ADC使用的信号.图3 为使用TL082D制作的电压信号调理模块. 图3 基于TL082D的电压信号调理模块 Fig.3 Voltage signal conditioning module based on TL082D NRF24L01无线收发模块包括频率发生器、增 强型Shock Burst TM模式控制器、功率放大器等,频 道和协议均可以通过串行外设接口(SPI)进行设 置,配置简单,运行可靠¨ . 水涡轮性能测试系统的动力室因为水泵工作 时的巨大噪声而和水涡轮性能监测系统的试验台 不同处一室,所以电子流量计的参数通过 NRF24L01模块以无线的方式传给主控制器.主控 制器同样包含基于NRF24L01的无线数据接收 模块. 无线电收发器和链路控制器.文中系统采用HC— O5主从一体蓝牙模块. 用户首先要在安卓系统的手机上安装对应的 APP,再开启蓝牙功能和水涡轮参数监测系统的蓝 牙模块建立连接.STM32将采集的数据包括入口压 力、出口压力、流量、转矩和转速,通过串口传输给 蓝牙模块,蓝牙模块再和手机进行数据的传输.因 为要保持足够的数据分辨率和数据有效位数,5组 参数均用16 bit的双字节表示.蓝牙之间的数据传 输需要使用字节流的方式,所以STM32在传输数据 前需要先按一定的算法,将双字节数据拆成2个单 字节数据,并在每组数据(2个字节)的头尾分别放 置预设的校验数,共20个字节依次放入待传输数组 TransData[20]中,最后STM32以串口传输的方式发 送整个数组.安卓客户端在接收到数据流后的数据 处理主要做2个方面工作:判断头尾校验数,将对应 双字节的数据取出;将双字节数据按照一定算法合 成源数据.图4为安卓客户端处理蓝牙接收数据流 的流程. 图4蓝牙数据接收流程 Fig.4 Data receiving process of bluetooth 3.2基于Qt的上位机 Qt是一种可扩展、跨平台的基于C++的图形 应用界面开发框架¨ ,其拥有的丰富的API,能为 不同的用户开发他们需要的应用程序,优良的跨平 台性能能实现“一次编写,到处运行”,在特定平台 上完成的代码只要经过少量的操作就可以移植到 lt_,I-,1L, Windows、Mac、Linux等不同的平台上.它可以有效 地减少工程人员编制适合不同操作系统的上位机 所需工作量. 此监测软件主要功能为通过串口接收STM32 采集的数据,能实时显示水涡轮的进出口压力、流 量、转矩、转速,绘制曲线,打印报表.图5为Qt上位 机主要的工作流程. 同5基于QI的上位机工作流程 Fig.5 Workflow of upper machine based on Qt 3.3安卓客户端 搭载安卓系统的手持设备(手机、PAD)在中国 拥有非常大的市场占有率,已日益成为人们日常生 活中不可分割的一部分.利用目前已非常成熟的安 卓系统和强大的硬件体系,可以非常方便地开发出 手持式参数监测仪.安卓客户端主要包含欢迎界 面、蓝牙设备列表界面和工作界面,如图6所示. 开启接收数据线稃 兰兰 I Y 图6安卓客户端工作流程 Fig.6 Workflow of Android client 蓝牙设备列表界面包括搜索按钮、已配对设备 列表和未配对设备列表.工作界面包括即时数据显 示,组数据保存以及功能按钮.安卓客户端将先 j 下位机建立蓝牙数据连接,接收数据流后,后台进 行数据的解析处理,前端显示即时数据并叮按用户 要求保存到数据库,绘制曲线. 3.4试验数据处理 利用本系统进行水涡轮相关试验后进行试验 数据处理.测试对象为JP50型水涡轮,分别计算水 涡轮的轴功率如式(1),扬程如式(2),水力功率如 式(3)和效率如式(4). , (1) 式中:n为转速,r/min;T为转矩,N・i'n; ’为轴功 率,w. H: . (2) Pg 式中:p 为人口压力;,J 为出口压力;p为水密度;g 为重力加速度;H为扬程,111. P,=pgQH=(p,一p2)Q, (3) 式中:P,为水力功率,w. D = ×100%, (4) / 式中:叼为效率. 4 系统测试 本系统测试场所为江苏大学喷灌大厅,测试财 象为水涡轮工作台,其中流量数据的提取在专 的 动力室,以无线数据通信的方式汇总到控制端,如 图7所示.测试结果表明,数据在不同模块间的传输 稳定、准确.客户端和上位机uI良好,操作简便,均 可以按用户需求生成相关曲线. 系统在工作过程中,由于被测对象的流动特性 会造成测量结果的不稳定.程序内部采用采样20次 再进行取平均值的操作以减小系统误差.除被测对 象的流动性造成的测量误差外,测量模块本身的测 量精度也会造成系统误差.采样所用的压力传感器 采样精度为0.25%,用于I/V转换的精密电阻的精 度为0.1%,STM32ADC的采样精度为0.024 4%. 故监测系统的压力采集精度为 E『J】=EfJ2=、/Ej,, + j ,l+E 2 2, (5) 式中:E E 为进出口压力测量精度;E 为传感器 测量精度;E 。为精密电阻转换精度;EⅢ为STM32 ADC转换精度. 经计算,监测系统压力采集的精度为0.27%. ●流}盘、转 、转速均采用频率采样的方式进行数 的获取,所以不会有累计误差.仪器的精度即为采 样的精度, 此 再说fj』j 可知,流量、转矩、转速 : 的采集精度分别为0.50%,0.50%和0.02% 测试,系统的精度较高,可以完成水涡轮卡H 的试 i《:~I{:¨ .纶 验监测. i I嘎E==二] ……-●* !~… 一 …一一 ■一~ — E====] ~…-自…●_---__ E===] ■・ …… ■_ ■口‘…■● lt, ‘ ~ ,——一 1… rJ ‘…~ …一 ■T … t… ●u… a) f 机测试结粜 R、 转矩 0 11 (N m): 转速(r/ 255.73 min、: 人口压力 54 99 (KPa): 出口压力 3 55 (KPa}: 渍■(m3/21 08 ’ 转矩 1 05 (Nm): 转遮(rl 251 24 arin): 入口压力 67.87 出口压力 4.37 流 ■ 2295 转 矩 1 94 转速 247 89 fbJ安 客户端测试结 图7系统测试结果 Fig 7 Hesuh ̄,of S|OI|I lesting 5 结 论 为了实现水涡轮水力机械性能试验参数的尢 线监删,提出了一种 于STM32和安卓系统的水涡 轮水 J特性参数测谴系统. 1)采川高性能的STM32F、l03系列单片机作为 系统的下位机,使用NRF241DI无线通信模块进行 系统不同功能漠块『疗J的数槲传输. 2)I:化机采¨J Qt 6小4,果¨1 J 、【 -I Jnf门}i: 厂1 下化机通讯, 良 的【j㈠ 汁使褂人机交i7 变 得/』 恒,只衙经过简 的没 J7J‘j 作. 3)发, 设备足现代广泛流行的r持 便携 备,蓝牙数 传输口 以较低的价格提供高质I 的通 itL/ll ̄务, 于女 的A I&' J-P。 ̄.软件充分结介 的优点. 4)粜 端和安 端的软件 接收剑数 』 均 以 农的形式展爪,许¨丁按』l}j厂】要求仃 刮sfJIJit( 数据库中,绘制曲线,・键牛成标准报丧. 通过实地测试 fiJJ,系统操作简 一}『 、人fJ【 交 友好、应川范…广,陔系统埘泵系列水力机械 动化嘛洲系统的没汁 有…定的借 崽义. 2 3 参考文献f References)]●J ]_袁灯 , 红,I 新坤.I…t4 水 溉 备发』陡 状、 川 、趋谤 j c义l J J.排濉 【做】. :报,20I5,33 (I):78—92. 、【IAN SI…l(Ii.1 1Ilong, ANG Xinkmi  ̄lalus. lI)一 lenis.I rf lids alld sugg+-slii ̄11s for wHIl I‘一‘|1vm‘g M igalimI Pquipm ̄ nt in Cl',ilⅢ J.J¨LlⅢaf c,f tfra/nag( I1I』irr 一 lion ma(‘hinery{tl ̄gine{一rlllg,2015,33(1):78—92.(in ChiII1 sP) T^N( l=ing{li.、IiAN SImuqi._r、、(;、i11・.r1 al Fh>B rc'sislallcc study『lf I1Pli{‘all>(‘oih! d pil} ̄ Iol’Il In,s{ rIl igalo ̄’based OI1 C F’1)anal> i (:l//…t-rnali{IIILl[¨Ill— 、{’PII{・ f)f AI11611j(‘n『】Sf】 PI of、 rjt’I ̄11111al a『1‘I I{iIll‘ i— I・al Engii1{ Pi’s,2Ol4:141 894742. 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