【摘要】本文依托物联网平台，以Arduino uno单片机为控制核心，利用压力变送器把水压变换成（4～20ma）电流信号，经过电流电压转换电路变为（0～5V）电压，转换后的电压信号送入单片机模块，经过单片机内部程序处理后，通过W5100网络模块连接至物联网平台。在网络平台上与手机界面上显示压力数据曲线与压力值，拨动平台与手机界面上相应的开关即可实现远程控制。此外装置可绑定微博（或者微信），当压力异常时发送信息进行压力异常报警。
1.引言
传统的变频器恒压供水系统反映了局部官管网运行状态，但是，没有和物联网链接，无法把运行数据随时发布到物联网上，不适应物联网+时代，采用大数据分析时无法提供实时数据。本文在原有变频器恒压供水控制系统的基础上，依托物联网概念，通过物联网平台实现物与物之间的信息交互。通过电脑端，手机端实现信息的在线实时监控与反向控制。
2.系统结构
基于物联网的水压监测与远程控制系统由以下模块组成：
1)传感器检测和电流电压转换电路模块；
2)Arduino uno单片机为运行控制器模块；
3)W5100网络通信模块；
4)Yeelight开放的物联网平台；
5)电脑或手机端检测与控制：
6)继电器控制电路模块；
7)原变频恒压供水模块；
8)程序流程图。
3.主要模块及电路介绍
3.1 电流电压转换电路
电流电压转换电路由传感器电路、电源电路、整形放大电路组成。
3.1.1 传感器采用压力变送器
使用24V直流电，它的内部有集成电路测量膜片，感受压力产生形变，经线性及温度补偿电路转换成4～20mA电流信号输出。
3.1.2 电源电路、整形放大电路
图1所示， 7660可进行倍压转换，即VOUT=2VIN.输入5V电压，8脚得到10V电压作为运算放大器LM324的电源电压。传感器输出的电流信号，经过电阻R3后转变为电压信号，经过运算放大器（电压跟随器）U2A后进行RC滤波，并且此环节R4，R5有消耗过电压能量，抑制震荡的作用，经过U2B后在U2C的输入端构成同相加法器，调节精密可调电阻RP1可根据输入信号调节输出电压范围（LM324 8脚调至0～5V）。送Arduino UNO R3单片机模拟输入端口A3,由单片机把模拟量转换成数字量。再发送至物联网平台以曲线形式显示。
3.2 Arduino uno单片机为运行控制器模块
Arduino UNO R3电路原理图如图2所示，处理器核心是ATmega 328，具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz的晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。编程软件采用Arduino IDE。编程语言用C语言。应用模块以库文件存在于IDE编程软件中，使编程简单化；可实现图形化编程。与W5100连接可访问互联网。实现网络监测及控制。由电源自动选择电路、供电电路、单片机电路、USB接口电路组成，各电路功能介绍如图2所示。
3.2.1 Arduino供电电路
供电模式1：外接9V电源经保护用二极管D1（反接时不烧毁），由NCP1117ST50T3G低压差正电压稳压器变成5V输出。
3.2.2 电源自动选择电路
供电模式2：选择USB口或用外接电源供电；
USB接头提供5V的电压，经自复式保险管（电流大于500mA的时候，该保险管会自动断开，电流恢复到允许的范围内后，保险管会自动恢复连接）提供5V电压。外接电源VIN经分压电阻分压后加到运放LM358的3脚；当输入电压大于7V时，3脚电压高于2脚电压（3.3V），1脚输出高电平；FDN340P PMOS管处于截至状态，从而切断了USB接口的供电。当外接电源输入电压VIN小于6V时，LM358的3脚电压低于2脚(3.3V)， 1脚输出低电平。FDN340P管处于导通状态，由USB口供电。LP2985-33DBV是线性稳压器，负责把5V电源转变成3.3V电源，该器件能给Arduino UNO提供大约50mA的电流。
3.2.3 USB接口部分
ATmega16U2是USB接口芯片，其特征包括：
1)8K/16K字节的Flash,支持自擦写功能。512字节EEPROM和512字节SRAM。
2)内置Boot-Loader功能(Arduino Uno引导加载程序)。
3)支持USB全速，包含4个USB输入输出端口。
4)包含内置晶振。
5)操作电压范围为2.7V到5.5V。2.7V时，最大工作频率是8MHz；4.5V时，最大工作频率是16MHz。
Arduino UNO板上ATmega16U2将USB口转为串口，由8脚和9脚的M8RXD和M8TXD与主控芯片ATMEGA328P-AU的串口引脚2和3相连接。
3.2.4 主控芯片部分
主控芯片ATMEGA328P-AU的工作电压为5V，每个I/O脚的最大输出电流：40mA，Flash大小：32K字节，SRAM大小：2K字节，EEPROM大小:1K字节，时钟频率最大为16M。
3.3 W5100网络通信模块
网络接口部分：
W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口（Socket）编程。W5100网络模块原理图如图4所示。该模块由电源电路（三端集成稳压芯片L1117T-3.3V把5V电压变成3.3V供W5100和RJ45使用）、W5100电路(负责单片机和物联网通讯)、晶振电路（产生25MHZ振荡频率）、网络接口RJ45（网线接口）组成。
Arduino UNO板上W5100与主控芯片ATMEGA328P-AU通过SPI接口SS、MOSI、MISO和SLKLK共四个引脚进行连接。SPI是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。 SPI模式可以允许同时同步发送和接收8位数据，并支持4种工作方式：
SPI工作方式简介：4个接口信号为：串行数据输入(MISO，主设备输入、从设备输出)、串行数据输出(MOSI，主设备输出、从设备输入)、移位时钟(SLKK)、低电平有效的从设备使能信号(cs)。SPI最大的特点是由主设备时钟信号的出现与否来确定主/从设备间的通信。一旦检测到主设备的时钟信号，数据开始传输。
W5100通过网络变压器与RJ45网卡接口相连接，RJ45再和路由器相连接。所以，以W5100构成的网络模块与Arduino单片机组合，可以很轻松的与物联网平台进行对接。W5100连接单片机和网络接口框图如图3所示：
3.4 Yeelight开放的物联网平台
在Yeelight物联网平台, 注册账号，创建设备及传感器。压力曲线及监测与远程控制如图5所示；绑定微博或微信作为压力异常报警接收端。
3.5 电脑或手机端检测与控制
以手机端检测与控制为例，物联网平台有相应的手机端APP软 件（IOS和Android），手机端软件与电脑端功能相同。
（1）登录手机端Yeelink账号；（2）点击相应的开关实现远程控制；（3）点击压力变送器将打开图表显示压力曲线。
3.6 继电器控制电路模块
继电器控制电路有NPN型三极管、5V继电器、电阻、二极管组成，电阻为三极管基极的限流电阻，二极管为继电器线圈的保护二极管。触发方式为高电平出发，继电器常开触点连接在PLC输入端口上，PLC输出端口通过PID调节仪连接变频器IRF、ACM端口，变频器通过变频和切换工频/变频控制电机 转速,达到控制水压，并配合PLC切换三台电机实现恒压供水。
3.7 原变频恒压供水模块
原变频恒压供水模块已经具有：(1)低恒压值运行，保障生活用水，高恒压值运行，保障消防供水；(2)三台泵已经实现“先开先停接入/退出；(3)一台泵运行3小时，切换下一台泵；(4)对泵有手动控制功能；(5)有报警功能；(6)当压力稳定时维持；(7)压力不足时增泵；(8)压力超过设定时减泵。由于篇幅所限不再论述。
3.8 程序流程图
程序流程图如图6所示。
4.小结
本文论述了“变频恒压供水+物联网”，实现了物联网水压监测和远程控制；并据此制作出“基于物联网的水压监测与远程控制系统”，有一定的创新点。为使用大数据分析官网运行状态成为可能，具有一定的应用推广价值。
