基于物联网的小区供水系统监测与控制设计与制作

本科毕业论文（设计）题目:基于物联网的小区供水系统监测与控制设计与制作院(系)名称:电气信息工程学院学生姓名:学号:专业:指导教师姓名:论文提交时间:

基于物联网的小区供水系统监测与控制设计与制作摘要本文主要研究了基于物联网的小区供水系统。随着城市化进程的加快，小区供水系统的管理变得越来越重要。传统的供水系统采用人工巡检和手动操作的方式，存在着监管不到位、水资源浪费等问题。本文提出了一种基于物联网技术的小区供水系统监测和管理方案。该方案采用传感器采集供水系统的运行数据，通过云平台进行数据处理，并在监测到异常时进行报警提示，从而实现对整个小区供水系统的实时监测和管理。在实现该方案的过程中，采用了多种技术，包括传感器技术、云计算技术和物联网技术等。通过这些技术的结合，成功地实现了小区供水系统的实时监测和管理，并取得了较好的效果。本文的研究成果对小区供水系统控制具有重要的实际意义。通过采用物联网技术，可以实现对小区供水系统的实时监测和管理，从而提高供水系统的运行效率和水资源的利用效率。同时，该方案可以减少人工巡检和手动操作的需求，降低管理成本，提高管理效率。因此，该方案具有广泛的应用前景。本文根据设计方案完成设备的选型，选用STM32F103C8T6作为主控芯片设计多路信号采集系统;采用MCGS触摸屏进行现场人机交互;利用4G物联网通讯技术实现下位机与物联网云平台的通讯。通过嵌入式信息采集系统与物联网相互结合的方式实现供水管网的远程监控。关键词:小区供水，供水管网，物联网，STM32

DesignandProductionofMonitoringandControlforResidentialWaterSupplySystemBasedontheInternetofThingsABSTRACThisarticlemainlystudiesthecommunitywatersupplysystembasedontheInternetofThings.Withtheaccelerationofurbanization,themanagementofwatersupplysystemsinresidentialareashasbecomeincreasinglyimportant.Thetraditionalwatersupplysystemadoptsmanualinspectionandoperationmethods,whichhaveproblemssuchasinadequatesupervisionandwasteofwaterresources.ThisarticleproposesamonitoringandmanagementschemeforresidentialwatersupplysystemsbasedonInternetofThingstechnology.Thisschemeusessensorstocollectoperationaldataofthewatersupplysystem,processesdatathroughcloudplatforms,andprovidesalarmpromptswhenabnormalitiesaredetected,therebyachievingreal-timemonitoringandmanagementoftheentirecommunity'swatersupplysystem.Intheprocessofimplementingthissolution,varioustechnologieswereadopted,includingsensortechnology,cloudcomputingtechnology,andInternetofThingstechnology.Throughthecombinationofthesetechnologies,real-timemonitoringandmanagementofthecommunitywatersupplysystemhavebeensuccessfullyachieved,andgoodresultshavebeenachieved.Theresearchresultsofthisarticlehaveimportantpracticalsignificance.ByadoptingIoTtechnology,real-timemonitoringandmanagementofthecommunitywatersupplysystemcanbeachieved,therebyimprovingtheoperationalefficiencyofthewatersupplysystemandtheutilizationefficiencyofwaterresources.Atthesametime,thissolutioncanreducetheneedformanualinspectionsandoperations,reducemanagementcosts,andimprovemanagementefficiency.Therefore,thisschemehasbroadapplicationprospects.Thisarticlecompletestheequipmentselectionbasedonthedesignplan,andselectsSTM32F103C8T6asthemaincontrolchiptodesignamulti-channelsignalacquisitionsystem;UsingMCGStouchscreenforon-sitehuman-machineinteraction;Utilize4GIoTcommunicationtechnologytoachievecommunicationbetweenthelowercomputerandtheIoTcloudplatform.BycombiningembeddedinformationcollectionsystemswiththeInternetofThings,remotemonitoringofwatersupplynetworkscanbeachieved.KEYWORDS：Communitywatersupply,Watersupplynetwork,InternetofThings,STM32

目录第1章绪论 [13]。本设计软件所使用的设计工具如下:编写语言:C/C++;开发平台:Keil5;C和C++是两种编程语言，它们都广泛应用于软件开发、系统编程、嵌入式系统开发等领域。它们都基于C语言且能应用于各种场景。Keil5是一款基于C语言的嵌入式开发工具，适用于8051系列单片机以及STM32单片机的开发。它是由美国Keil

Software公司开发的，旨在为单片机开发提供全面的支持。Keil5提供了一整套完善的开发环境，包括集成开发环境（IDE）、C编译器、调试器及仿真器等。其集成开发环境提供了完整的开发工具链，包括代码编辑、编译、调试、仿真等多个环节，极大地提高了开发效率和代码质量。作为一款基于C语言的开发工具，Keil5具备非常强大的编程能力。它支持C语言的所有基本语法和语言特性，包括变量、数组、结构体、指针等。此外，Keil5还提供了丰富的库函数和头文件，方便开发者快速调用各种功能模块，提高开发效率并降低代码复杂度。在调试和仿真方面，Keil5也拥有非常优秀的性能。它支持多种调试模式，包括单步调试、断点调试、观察窗口等，可以帮助开发者快速定位程序中的问题，并进行修复。同时，Keil5还支持多种仿真器，包括模拟器、实时仿真器等，可以帮助开发者在开发过程中快速验证代码的正确性和稳定性。总的来说，Keil5是一款非常优秀的嵌入式开发工具，它具备强大的编程能力、完善的开发环境和优秀的调试和仿真性能，可以帮助开发者快速高效地完成单片机开发工作。6.2实物展示做好的终端设备实物如图5.1所示。终端上接有stm32单片机，三个水泵，4G模块，液位传感器和水压传感器等。图6.1终端设备实物图6.3调试目的本次调试的目的是：1.验证系统能否上云以及数据能否正确显示2.验证程序是否能正常控制水泵转速3.通过模拟不同的水压和液位情况测试系统的性能和稳定性6.4调试流程6.4.1系统上云调试将系统连接好，插上电源，见图6.2。

图6.2系统插上电源对系统能否上云进行验证，见图6.3，阿里云显示系统成功在线。图6.3系统在云端显示在线6.4.2水泵转速调试将水压模拟设备接入系统并将水泵插上电源，观察水压。由图6.4所示，水压显示为0千帕。图6.4水压显示为0对水泵转速进行检测，此时，转速为1800rpm。调节水压后，此时观察水压值，水压显示为16千帕。对水泵转速进行检测，此时，转速为1000rpm。图6.5水压显示为16千帕。重复上诉操作，测试的数据如表6.1所示，发现水压增加时，转速变少。水泵转速调试成功。水压（kpa）水泵转速（rpm）018001610001412072075051600表6.1测试数据

6.4.3系统的性能和稳定性调试调节水压并且重复操作，与此同时，将液位检测器放入水中，重复加水、倒水操作，调试结果如表6.2所示，云端结果显示如图6.6所示。经对比，云端显示数据与实际数据相同，即系统性能正常稳定。水压（kpa）液位（m3）81121490814510表6.2系统水压液位实际检测数据图6.6系统水压液位云端显示数据

6.5调试总结本设计成功实现了小区供水系统的预期功能，至此，基于物联网的小区供水系统的设计已经完成，该系统能够正确显示云端数据，其程序能够正常控制水泵转速，通过模拟不同的水压和液位情况，证明了系统的性能正常稳定。

致谢在本人完成论文的道路上，受到了三位重要人物的帮助和支持，他们分别是论文指导老师王福平、指导学长欧阳有伟和同学韦泽斌。在此，向他们表达最深刻的感激之情。首先，要感谢本人的论文指导老师王福平。在我遇到问题或困惑时，他总是给予耐心的指导和热情的鼓励，帮助本人克服了许多困难。在整个写作过程中，他的建议和意见使我受益匪浅。他的专业知识和经验是我在学术上取得成功的重要保障。其次，要感谢本人的指导学长欧阳有伟。在过去的几个月里，他给予了极大的帮助和支持。他的经验和见解具有极大的启发性，并且他总是在本人需要的时候提供宝贵的建议和指导。他的热情和耐心让人感到非常温暖，在此非常感激他的帮助和支持。最后，要感谢我的同学韦泽斌。他在本人的学业和研究方面给予了极大的帮助和支持。我们经常一起讨论问题，互相分享经验，鼓励和激励彼此。他的支持和鼓励使我更加自信，更加努力地投入到研究中。在此，再次感谢王福平老师、欧阳有伟学长和韦泽斌同学，感谢他们在学业和研究上给予的支持和帮助。他们的指导和鼓励是本人走向成功的重要保障。本人会永远怀念他们的教诲和关怀，并将继续努力在学术上取得更好的成绩，为他们的支持和鼓励感到自豪和骄傲。

参考文献吴玉贤.城市二次供水远程监控系统设计[D].内蒙古大学,2021.DOI:10.27224/ki.gnmdu.2021.000360.王炯锡.基于物联网的恒压供水控制系统设计[J].南方农机,2023,54(01):137-139.郜阔.基于物联网的·城市供水系统节能降耗关键技术研究[D].苏州科技学院,2014.李娜.GIS与物联网技术相结合的智慧供水系统设计[J].测绘地理信息,2017,42(06):85-87.DOI:10.14188/j.2095-6045.2016010.蒙正麦,岑帅,钟芳山,姚远,夏义江,李先会.变频恒压供水控制系统改造设计[J].自动化与信息工程,2022,43(02):45-48.宋震.济南水务某加压泵站恒压供水系统设计与实现[D].山东建筑大学,2020.DOI:10.27273/ki.gsajc.2020.000505.刘闰豪.基于物联网的供水管网监测系统的研究与设计[D].安徽建筑大学,2020.DOI:10.27784/ki.gahjz.2020.000085.王旭朝.智慧校园中水供水优化运行研究[D].河北建筑工程学院,2021.DOI:10.27870/ki.ghbjz.2021.000090.吴仪.城市供水系统多水厂联合优化调度研究[D].大连理工大学,2022.DOI:10.26991/ki.gdllu.2022.002467.王成荣.智慧校园供水管网监控系统设计[D].青岛科技大学,2020.DOI:10.27264/ki.gqdhc.2020.000808.刘岳飞.基于先进PID算法的供暖系统室温控制技术研究[D].内蒙古科技大学,2022.DOI:10.27724/ki.gnmgk.2022.000568.李凤云.基于DSP的恒压力模糊控制系统实现[D].长春理工大学,2006.王芹.单片机在高楼恒压供水系统中的应用[D].中国海洋大学,2006.张菊秀.全自动变频恒压供水系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2003(05):57-59+69.庄志强.基于云平台的智慧城市水务远程监控系统研究[D].哈尔滨理工大学,2020.DOI:10.27063/ki.ghlgu.2020.000920.]肖昌滨,魏云林,黄秀璋,郭玲.基于阿里云的农业大棚环境监控系统设计[J].物联网技术,2023,13(04):26-30.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.04.007.

附录附录1：英文文献 DesignofAutomaticWaterSupplyUpperComputerSystemABSTRACTAimingattheunstablewatersupplyandfluctuatingwaterpressureinthewatersupplysystem,anuppercomputersystemofautomaticwatersupplysystembasedonSiemensPLCandKingViewsoftwarewasproposed.Thepressuresensorinthewatersupplypipelineisusedtodetectthepressureinthepipeline,andtheliquidlevelsensormonitorstheliquidlevelinthetank.ThesensortransmitsthedatatothePLC,andthePLCissuesthecontrolinstructionafterthecomputationprocessing.TheKingViewsoftwarecanrealizereal-timemonitoringandfaultalarmofthesystem.Thesystemcaneffectivelyimprovethestabilityofwatersupply,andcanavoidhumanenteringthedangerousenvironmenttosearchforunknownfaults.KEYWORDS：KingView,constantpressurewatersupply,PLC,uppercomputersystem,remotecontrolIntroductionWiththecontinuousdevelopmentofChina'surbanizationprocess,thepressureontheurbanwatersupplysystemisincreasing.Inoldurbancommunities,regionalwatersupplyisbasicallyachievedbythemunicipalpipenetworkthroughsecondaryartificialpressurization,watertowersandhigh-levelpools.However,thesewatersupplymethodshaveseriousimbalancesbetweenwaterpressureandwaterconsumption.Inaddition,themonitoringofparameterssuchasthepressureofthepipenetworkandtherunningstateofthemotorintheold-fashionedwatersupplysystemisthroughmanualinspectionofmeasuringinstruments.Thisgreatlyreducestheoperatingsafetyoftheoperator.Andwhenthewatersupplypressurechangesgreatlyatdifferenttimes,itcanonlybeadjustedmanually.Thisadjustmentmethodisdifficulttomeetthesystemadjustmentrequirementsintime1.Basedontheabovediscussion,thisdesignfocusesontheuppercomputersystemforconstantpressurewatersupply.TheKingViewsoftwareandSiemensPLCareusedtodesigntheuppercomputerofthewatersupplysystemandconnectitwiththelowercomputerofthewatersupplysystem.Finally,realizetheconstantpressurewatersupply,remotemonitoringandremoteoperationofthewatersupplysystem.TheHardwareStructureThecoretaskofthissystemdesignistoremotelymonitorandoperatethewatersupplysystemthroughthehostcomputer.UsePLCtomakethefrequencyconverterimplementcycliccontrolofmultiplepumps2.Sothewholehardwaresystemiscomposedofaliquidlevelsensor,threewaterpumps,apressuresensor,afrequencyconverterandPLC.SystemprogrammingInthesystemprogramming,thisdesignconsistsofPLCprogrammingandconfigurationsimulationdesign.Thecombinationofthesetwoprogramscanwellreflectthecontrolprocessofthesystem.FirstisPLCprogramming.ThisdesignusesSTEP7programmingsoftwareforPLCprogramming.Theprogrammingmethodusedisthelogicalgebradesign.ItistoeditthePLCladderdiagramprogramaccordingtothesimplifiedlogicalexpression5.Inthisdesign,thePLCprogramneedstorealizethefollowingcontrolactions.Thefirstwaterpumpstartsandstops.Whenthefrequencyofthesecondfrequencyconverterreachestheupperlimit,thewaterpumpisswitchedbetweenfrequencyconversionandindustrialfrequency.Thirdly,whenthepressurefluctuationofthepipelineissmall,thewaterpumpshallbealternatedperiodically.Thefourthistodetecttheliquidlevel,andthesystemcanbestoppedwhenthewatersupplylevelistoolow.PLCprogrammingadoptsmodularprogramming.ThemainprogramOB1iscomposedofsevenfunctionsorfunctionblocks.Makethemainprogramsimpleandvisualforeasytroubleshooting.TheprograminfunctionFC1isusedtoprocesstheinputanalogquantity.TheprograminfunctionFC2isusedforbootinitialization.TheprograminfunctionFC3isthestart-upprogramofthewaterpumpmotor.TheprograminfunctionFC4istheswitchbetweenfrequencyconversionandindustrialfrequencyofthewaterpumpmotor.TheprograminfunctionFC5isanalarmprogram.TheprograminfunctionFC6isananalogoutputprogram.TheprograminfunctionFC7isawaterpumpalternateworkingprogram.ThemainprogramOB1partoftheprogramdesignisshowninFig.1.Fig.1.MainprogramOB1SecondisConfigurationsimulationdesign.Inthisdesign,thedesignoftheconfigurationscreenoftheuppercomputersystemusestheKingViewsoftwareproducedbyBeijingYakongCompany.Thesoftwareiswidelyusedinthecurrentindustrialfield,andithasvariousfunctionssuchasprocesscontroldesign,fieldcontrol,andresourcemanagement6.Theconfigurationscreendesignedbythissystemcoversthemainscreen,real-timecurve,alarmscreen,historicaldatareport,historicalcurve,andreal-timedatareport.Inthemainconfigurationscreen,theoperatorcanstart,stopandemergencystopthesystem.Andcanadjustthepressureofthepipenetwork.Atthesametime,itcanmonitortherunningstatusofthewaterpump,theliquidlevelofthepoolandthepressureoftheoutletpipenetwork.Onthemainpage,youcanalsoperformapumpfaulttest.ThemainconfigurationscreenisshowninFig.2Fig.2.MainscreenSystemSimulationAfterthesystemdesigniscompleted,thesystemcanbesimulatedontheKingviewsoftware.Inthesimulationofthisdesign,themainscreenofthesystemcanrealizereal-timemonitoringoftheoperationoftheautomaticwatersupplysystem.Inthereal-timecurveinterface,theoperatorcanintuitivelymonitorthepipenetworkpressureandpoolwaterlevelinthesystemthroughreal-timechangesinthecurve.Itcanbeseeninthereal-timecurvesimulationimagethatbychangingthesystemwatersupplypressuresettingvalue,thesystemwillautomaticallyadjusttheactualwatersupplypressuretomatchthestandardvalue.Thereal-timecurveimageisshowninFig.3.Fig.3.Real-timecurveInthehistoricalcurveinterface,theoperatorcanintuitivelymonitorthechangesofthepipenetworkpressureandthewaterlevelofthepoolinthehistoricaltimethroughthehistoricalchangesofthecurve.Aftermanysimulations,thehistoricalcurveinterfaceisshowninFig.4.Fig.4.HistoricalcurveConclusion.ThisdesignusestheKingViewsoftwarecombinedwithPLCandfrequencyconvertertoformanautomaticwatersupplycontrolsystem,replacingthepreviousvalvecontrolandmanualwatersupplysystem.Itisensuredthatthepressureofthewatersupplypipenetworkwillnotdropduringthetimewhentheresidentshavemorewater.Italsoensuresthatwhentheresidentialwaterislow,therewillbenoimpactonthecomponentsoftheentiresystemduetoexcessivepressureonthepipenetwork.Itgreatlyslowsdowntheagingofthewatersupplysystemcomponentsandextendstheservicelifeofthesystem.Theuppercomputersysteminthisdesignrealizesthemonitoringoftherunningstatusofthelowercomputerandthewaterpump.Canreadthereal-timedataandhistoricaldataoftheautomaticwatersupplysystem.Monitorthechangesintheoperationofthewaterpumpandtheoccurrenceofsystemfailureswhenthepressureofthewatersupplysystemfluctuates.ThecombinationofKingViewandPLCinthisdesignmakesthesystemprogramsimple,integratedandhighlytransplantable.

附录2：译文自动供水上位机系统的设计摘要自动供水上位机系统的设计针对供水系统中供水不稳定和水压波动的问题，提出了一种基于西门子PLC和组态王软件的自动供水系统上位机系统。供水管道中的压力传感器用于检测管道中的压强，液位传感器监测水箱中的液位。传感器将数据传输到PLC，PLC在计算处理后发出控制指令。组态王软件可以实现对系统的实时监控和故障报警。该系统可以有效提高供水的稳定性，避免人类进入危险环境寻找未知故障。关键词：组态王，恒压供水，PLC，上位机系统，远程控制介绍随着中国城市化进程的不断发展，城市供水系统面临的压力越来越大。在城市老旧小区，区域供水基本由市政管网通过二次人工加压、水塔和高位水池实现。然而，这些供水方式在水压和用水量之间存在严重的不平衡。此外，在老式供水系统中，对管网压力和电机运行状态等参数的监测是通过手动检查测量仪器进行的。这大大降低了操作员的操作安全性。当供水压力在不同时间发生较大变化时，只能手动调节。这种调整方法很难满足时间的系统调整要求。在上述讨论的基础上，本设计重点介绍了恒压供水的上位机系统。采用组态王软件和西门子PLC设计供水系统的上位机，并将其与供水系统的下位机连接。最后，实现供水系统的恒压供水、远程监控和远程操作。硬件结构本系统设计的核心任务是通过上位机对供水系统进行远程监控和操作。利用PLC使变频器实现对多台泵的循环控制。因此，整个硬件系统由一个液位传感器、三台水泵、一个压力传感器、一个变频器和PLC组成。系统编程在系统编程中，本设计包括PLC编程和组态仿真设计。这两个程序的结合可以很好地反映系统的控制过程。首先是PLC编程。本设计使用STEP7编程软件进行PLC编程。所使用的编程方法是逻辑代数设计。它是根据简化的逻辑表达式5编辑PLC梯形图程序。在本设计中，PLC程序需要实现以下控制动作。第一台水泵启动和停止。当第二变频器的频率达到上限时，水泵在变频和工业频率之间切换。第三，当管道压力波动较小时，应定期更换水泵。第四是检测液位，当供水液位过低时，可以停止系统。PLC编程采用模块化编程。主程序OB1由七个功能或功能块组成。使主程序简单直观，便于故障排除。功能FC1中的程序用于处理输入的模拟量。功能FC2中的程序用于启动初始化。功能FC3中的程序是水泵电机的启动程序。功能FC4中的程序是水泵电机的变频和工业频率之间的开关。功能FC5中的程序是一个报警程序。功能FC6中的程序是一个模拟输出程序。功能FC7中的程序是水泵备用工作程序。程序设计的主要程序OB1部分如图1所示。图1主程序OB1二是配置仿真设计。在本设计中，上位机系统配置屏幕的设计使用了北京亚空公司生产的组图软件。该软件在当前工业领域应用广泛，具有过程控制设计、现场控制、资源管理等多种功能6。该系统设计的配置屏幕包括主屏幕、实时曲线、报警屏幕、历史数据报告、历史曲线和实时数据报告。在主配置屏幕中，操作员可以启动、停止和紧急停止系统。并且可以调节管网的压力。同时，它可以监测水泵的运行状态、水池的液位和出水管网的压力。在主页面上，您还可以执行泵故障测试。主配置屏幕如图2所示。图2主屏幕系统仿真系统设计完成后，可以在组图软件上对系统进行仿真。在本设计的仿真中，系统的主屏幕可以实现对自动供水系统运行的实时监控。在实时曲线界面中，操作员可以通过曲线的实时变化，直观地监控系统中的管网压力和池水水位。从实时曲线仿真图中可以看出，通过改变系统供水压力设定值，系统会自动调整实际供水压力，使其与标准值相匹配。实时曲线图像如图3所示。图3实时曲线在历史曲线界面中，操作员可以通过曲线的历史变化，直观地监测管网压力和水池水位在历史时间内的变化。经过多次模拟，历史曲线界面如图4所示。图4历史曲线结论该设计使用组图软件与PLC和变频器相结合，形成了一个自动供水控制系统，取代了以前的阀门控制和手动供水系统。确保在居民用水较多的时间内，供水管网的压力不会下降。它还确保了当居民用水较低时，不会因管网压力过大而对整个系统的组件造成影响。它大大减缓了供水系统部件的老化，延长了系统的使用寿命。本设计中的上位机系统实现了对下位机和水泵运行状态的监测。可以读取自动供水系统的实时数据和历史数据。当供水系统压力波动时，监测水泵运行的变化和系统故障的发生。本设计将组态王与PLC相结合，使系统程序简单、集成、可移植性强

附录3：源程序一．主函数intmain(void){ uint16_ti=0; delay_init(); //延时函数初始化 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级 uart_init(115200); //串口初始化为9600 USART2_Init(115200); //初始化串口2波特率为115200 LED_Init(); //LED初始化 Adc_Init(); TIM3_PWM_Init(99,7199);//PWM初始化频率=72M/(71