水塔群管理系统的制作方法

本实用新型涉及水塔管理技术领域，特别涉及一种水塔群管理系统。

背景技术：

水塔，多用于居民区顶楼蓄水或在水厂的生产工艺中使用。由于其高耸的储水结构，不仅在施工时需要特别细心并保证质量，而且要经常巡查关注水塔内水位，以防止水位过高或过低带来的装置永久性渗漏水或用水短缺的问题，更为严重的，如果天气恶劣或水位太高溢出塔顶时容易导致水塔倾斜、侧翻，造成严重后果。

虽然水塔应用广泛，市面上却缺少针对水塔进行管理的产品，如果采用人工监测水塔群，不仅需要极高的人工成本，而且极易出现疏忽或者处置不及时带来严重后果，无法满足市场需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服以上缺点，提供一种水塔群管理系统，解决水塔群无法实时监管的难题，避免了在巡查间隙出现水漫溢出或水塔内缺水却无法及时获知并处理的困扰，通过信号采集模块和通讯系统实现在中控室实时监测各水塔状态，当异常情况出现时根据中央输入输出模块的报警采取措施，本系统使用方便，对异常情况反应迅速，而且无需人工巡查，节省了人工成本。

本实用新型通过如下技术方案实现：水塔群管理系统，其特征在于：包括中央管理系统、一个以上设置于各水塔点的支点处理系统、用于建立中央管理系统与支点处理系统之间联系的通信系统、以及用于提供系统各部分所需电力的电源系统；

所述中央管理系统包括

中央处理模块，用于接收各支点处理系统传送的水塔群状态信号并控制各模块工作；

中央输入输出模块，与中央处理模块连接，用于实现与中央管理系统的人机交互，实时监管各支点状态；

所述各支点处理系统包括

信号采集模块，与水塔上的传感器连接，用于将传感器信号传送至本支点主控模块；

主控模块，用于接收、处理信号采集模块传送的传感器信号，根据该信息作出相应的应对机制；

所述通信系统由无线透传模块构成，包括与各支点处理系统连接的信号发射端、以及与中央管理系统连接的信号接收端；

在各支点处理系统中所述信号采集模块将传感器信号传送至主控模块中，主控模块处理对应信息。将状态指示处理并做对应处理的同时将该信号通过通信系统传送至中央管理系统，中央管理系统的中央处理模块根据接收的信号指示、记录水塔状态，并可将来自人机交互系统的指令通过无线透传通信模块远程控制各支点处理系统实现相应的远程操作。

其工作原理及过程如下：

在各分支节点中所述信号采集模块将传感器信号传送至主控模块中，主控模块处理对应信息。将状态指示处理并做对应处理的同时将该信号通过通信系统传送至中央管理系统，中央管理系统的主控根据接收的信号指示、记录水塔状态，并可将来自人机交互系统的指令通过无线透传通信模块远程控制分支节点实现相应的远程操作。

为了更好的实施本方案,还提供如下优化方案：

进一步的,为了优化中央处理模块和主控模块：所述中央处理模块和主控模块均选用主控芯片atmega2560-16au，还包括编程接口、以及由电容c5、电阻r30与外部按键s1构成的复位电路。

进一步的,为了优化信号采集模块：所述信号采集模块包括用于与传感器连接的信号采集接口，所述信号采集接口还设有用于为传感器供电的供电接口dc_24v、用于与主控模块连接并传送传感器信号的信号输出接口sensor_x、以及用于将传感器与系统接地的共地端gnd。

进一步的,为了方便使用电流输出型传感器作为信号采集工具：所述信号采集模块还包括用于将电流输出型传感器的电流信号转换成峰值5v以内电压信号的精密电阻。

进一步的,为了优化通信系统，使其使用方便：所述通信系统选用无线透传模块loradrlm16，通信系统还包括用于转换无线透传模块与主控模块和中央处理器之间不同使用电压的电压变化电路、以及用于系统固件调试与升级的调试单元；所述电压变化电路包括用于将主控模块处理器io引脚电压5v转换为无线透传模块电压3.3v的降压电路、以及将无线透传模块电压3.3v转换为中央处理模块处理器io电压5v的升压电路，所述调试单元包括用于实现usb转ttl电平的转换芯片ch340g。

进一步的,为了使中控室与支点处都能接收到水塔状态指示：所述中央输入输出模块包括与中央处理模块相连接的第一指示灯或第一报警器、以及设置于中央处理模块与第一指示灯或第一报警器之间用于提高主控芯片输出带载能力并防止电流过大毁坏主控芯片的第一输出电路；所述第一输出电路包括npn型三极管8050s、由三极管驱动的负载继电器k1、连接于主控芯片输出端与三极管之间的限流电阻r34、以及用于连接指示灯或报警器的输出端口；

所述支点处理系统还包括支点提示模块，与主控模块连接，用于根据主控模块的指令提示该水塔的状态；所述支点提示模块包括与主控模块相连接的第二指示灯或第二报警器、以及设置于主控模块与第二指示灯或第二报警器之间用于提高主控芯片输出带载能力并防止电流过大毁坏主控芯片的第二输出电路；所述第二输出电路包括npn型三极管8050s、由三极管驱动的负载继电器k1、连接于主控芯片输出端与三极管之间的限流电阻r34、以及用于连接指示灯或报警器的输出端口。

进一步的,为了使中控室与支点处都能手动控制系统模块：所述中央管理系统还包括第一外控模块，与中央处理模块连接，用于人工输入控制信号，包括第一控制按键、连接于第一控制按键与中央处理模块之间用于对输入信号进行隔离处理的光电耦合器tlp185、设置于光电耦合器输入端的限流电阻r18、以及设置于光电耦合器输出端的上拉电阻r19；

所述支点处理系统还包括第二外控模块，与主控模块连接，用于人工输入控制信号，包括第二控制按键、连接于第二控制按键与主控模块之间用于对输入信号进行隔离处理的光电耦合器tlp185、设置于光电耦合器输入端的限流电阻r18、以及设置于光电耦合器输出端的上拉电阻r19。

进一步的,为了使中控室与支点处都能观察到水塔状态：所述中央管理系统还包括中央显示模块，与中央处理模块连接，用于显示各水塔的具体状态，包括用于显示较多数据信息的显示器hj_240128、以及用于调节显示器对比度的可调电阻r16；

所述支点处理系统还包括支点显示模块，与主控模块连接，用于显示某水塔的具体状态，包括用于显示较少数据信息的小型显示器hj_lcd12864或hj_lcd12832、以及用于调节显示器对比度的可调电阻r16。

进一步的,为了留档各水塔的状态记录，方便比较和预测：所述中央管理系统还包括中央记录模块，与中央处理模块连接，用于实时记录各水塔状态，包括第一时钟单元与第一存储单元；所述第一时钟单元由实时时钟芯片ds1302和晶振y2组成；所述第一存储单元包括设有串行外设接口的存储卡、以及用于连接存储卡与系统的接口tf1，所述接口tf1包括用于启用存储卡的引脚tf_cs、用于检测存储卡是否插入的引脚tf_cd、用于实现同步时钟的引脚sck、数据传输引脚miso和mosi、以及存储卡接地端gnd；

所述支点处理系统还包括支点记录模块，与主控模块连接，用于实时记录某水塔状态，包括第二时钟单元与第二存储单元；所述第二时钟单元由实时时钟芯片ds1302和晶振y2组成；所述第二存储单元包括设有串行外设接口的存储卡、以及用于连接存储卡与系统的接口tf1，所述接口tf1包括用于启用存储卡的引脚tf_cs、用于检测存储卡是否插入的引脚tf_cd、用于实现同步时钟的引脚sck、数据传输引脚miso和mosi、以及存储卡接地端gnd。

进一步的,为了优化电源系统，使电源供电满足各模块需求：所述电源系统由中央供电系统和支点供电系统构成，均包括用于将外部供电dc_24v_in转换为内部供电dc_24v的供电转换模块、用于将dc_24v再转换为满足各模块用电需求电压的电源转换模块、以及用于指示各模块供电状态的分压限流驱动模块；所述供电转换模块包括与外部供电dc_24v_in连接的二极管d10、以及与二极管d10连接的保险管f1；所述电源转换模块包括将dc_24v分别转换为dc5v和dc12v的第一转换电路、以及将dc5v转换为dc3.3v的第二转换电路；所述第一转换电路包括电源转换芯片lm2596s-5和lm2596s-12、续流二极管d4和d5、储能滤波电感l1和l2、以及滤波电容c8和c23，所述第二转换电路包括转换芯片lm1117s-3.3；所述分压限流驱动模块包括指示灯d6-d9和限流电阻r40-r43；

所述电源系统还包括用于当外部供电异常时保持系统时钟状态的内置电池，当外部供电正常时，支点供电模块通过芯片ds1302对内置电池进行涓流充电。

较之现有技术而言，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型提供一种水塔群管理系统，解决水塔群无法实时监管的难题，避免了在巡查间隙出现水漫溢出或水塔内缺水却无法及时获知并处理的困扰，通过信号采集模块和通讯系统实现在中控室实时监测各水塔状态，当异常情况出现时根据中央输入输出模块的报警采取措施，本系统使用方便，对异常情况反应迅速，而且无需人工巡查，节省了人工成本；

2.本实用新型提供一种水塔群管理系统，中央管理系统与支点处理系统同时具备提示、人工外控、显示和记录的功能，不论使用者是在中控室还是在某具体水塔点都能及时获取并处理水塔异常，方便中控室及时调配修理人员，并在水塔点完成修理工作；

3.本实用新型提供一种水塔群管理系统，设有的记录模块在记录水塔状态的同时记录具体时刻信息，方便使用者针对该数据进行分析与预测。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型水塔群管理系统的结构框架图；

图2为主控模块和中央处理模块的芯片电路示意图；

图3为信号采集模块的芯片电路示意图；

图4为通信系统的芯片电路示意图；

图5为中央输入输出模块与支点提示模块的芯片电路示意图；

图6为外控模块的芯片电路示意图；

图7为显示模块的芯片电路示意图；

图8为电源系统的芯片电路示意图；

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型内容进行详细说明：

水塔群管理系统，其特征在于：包括中央管理系统、一个以上设置于各水塔点的支点处理系统、用于建立中央管理系统与支点处理系统之间联系的通信系统、以及用于提供系统各部分所需电力的电源系统；

所述中央管理系统包括

中央处理模块，用于接收各支点处理系统传送的水塔群状态信号并控制各模块工作；

中央输入输出模块，与中央处理模块连接，用于实现与中央管理系统的人机交互，实时监管各支点状态；

所述各支点处理系统包括

信号采集模块，与水塔上的传感器连接，用于将传感器信号传送至本支点主控模块；

主控模块，用于接收、处理信号采集模块传送的传感器信号，根据该信息作出相应的应对机制，如开水泵、关阀门、启动报警器等处理机制；

所述通信系统由无线透传模块构成，包括与各支点处理系统连接的信号发射端、以及与中央管理系统连接的信号接收端；

在各支点处理系统中所述信号采集模块将传感器信号传送至主控模块中，主控模块处理对应信息。将状态指示处理并做对应处理的同时将该信号通过通信系统传送至中央管理系统，中央管理系统的中央处理模块根据接收的信号指示、记录水塔状态，并可将来自人机交互系统的指令通过无线透传通信模块远程控制各支点处理系统实现相应的远程操作。

如图2所示,所述中央处理模块和主控模块均选用主控芯片atmega2560-16au，还包括编程接口、以及由电容c5、电阻r30与外部按键s1构成的复位电路。

如图3所示，所述信号采集模块包括用于与传感器连接的信号采集接口p18-p25，

所述信号采集接口还设有用于为传感器供电的供电接口dc_24v、用于与主控模块连接并传送传感器信号的信号输出接口sensor_x、以及用于将传感器与系统接地的共地端gnd。

所述信号采集模块还包括用于将电流输出型传感器的电流信号转换成5v以内电压信号的精密电阻r47-r54。

由于传感器有电压输出型与电流输出型，本系统默认使用输出范围0-5v的电压输出型传感器，如果使用的是4-20ma的电流输出型传感器，共地端gnd可以不接，仅连接dc_24v与sensor_x，再通过r47-r54的精密电阻将对应的电流转换成5v以内的电压信号，如输出电流为峰值20ma则转换后电压为20ma*250ω＝5000mv即5v，最终该电压信号传输到主控芯片的模数转换端口上。

如图4所示，所述通信系统选用无线透传模块loradrlm16，通信系统还包括用于转换无线透传模块与主控模块和中央处理器之间不同使用电压的电压变化电路、以及用于系统固件调试与升级的调试单元；

所述电压变化电路包括用于将主控模块处理器io引脚电压5v转换为无线透传模块电压3.3v的降压电路、以及将无线透传模块电压3.3v转换为中央处理模块处理器io电压5v的升压电路，

所述调试单元包括用于实现usb转ttl电平的转换芯片ch340g。

无线透传模块roladrlm16，理论传输距离可达3km，空旷地带传输可达16km完全能满足设备群管理，然而该模块采用的是3.3v供电且引脚电压限为3.3v不能与主控芯片5v直接通信，故系统引入3.3v-5v的电压降压电路和5v-3.3v的电压升压电路，如图中r6、r7及q1组成点降压电路当mcu_txd2输出为高电平时三极管q1截止在上拉电阻r7的作用下lm16_rxd输出高电平，当mcu_txd2输出为低电平时三极管q1导通lm16_rxd输出低电平，由于上拉电阻r7的供电端电压为3.3v因此输出高电平为3.3v；对于3.3vto5v电路理论上可以采用3.3v直接驱动，但有可能存在输出电压不足无法达到高电平跳转门限或者信号上升沿过长等问题，故引入相应转换电路，如图当lm16_aux输出为高电平时，三极管q4发射结电势差为0，三极管截止，在上拉电阻r13的作用下mcu_aux输出为高电平(5v)，当lm16_aux输出为低电平时，三极管q4发射结存在电势差，三极管导通集射结电压近似为零，mcu_aux输出为低电平(0v)。

无线透传模块rola内置识别码，只有识别码相同的模块间传输的数据才能有效保留，为了避免同一地区多套系统间的串扰，本系统保留无线透传模块的所有功能(即保留aux、ms1、ms2与主控芯片之间的通信)每次系统上电重新自动配置模块参数，每一套系统使用唯一一组识别码，当模块故障或者损坏时直接更换一个良好的模块即可。

同时系统采用电平转换芯片ch340g作为usb转串口通信模块，可作为系统编程与调试，仅需一根usb线即可随时更新系统固件。

如图5所示，所述中央输入输出模块包括与中央处理模块相连接的第一指示灯或第一报警器、以及设置于中央处理模块与第一指示灯或第一报警器之间用于提高主控芯片输出带载能力并防止电流过大毁坏主控芯片的第一输出电路；

所述第一输出电路包括npn型三极管8050s、由三极管驱动的负载继电器k1、连接于主控芯片输出端与三极管之间的限流电阻r34、以及用于连接指示灯或报警器的输出端口；

所述支点处理系统还包括

支点提示模块，与主控模块连接，用于根据主控模块的指令提示该水塔的状态；

所述支点提示模块包括与主控模块相连接的第二指示灯或第二报警器、以及设置于主控模块与第二指示灯或第二报警器之间用于提高主控芯片输出带载能力并防止电流过大毁坏主控芯片的第二输出电路；

所述第二输出电路包括npn型三极管8050s、由三极管驱动的负载继电器k1、连接于主控芯片输出端与三极管之间的限流电阻r34、以及用于连接指示灯或报警器的输出端口。

由于主控芯片端口本身输出带载能力有限，同时端口也存在电压限问题，为了提高系统的带载能力同时保护芯片不被外部供电异常烧毁，系统采用npn型三极管8050s(q7)驱动负载继电器k1，同时主控芯片输出高电平时避免输出电流过大损坏芯片io引脚或驱动三极管基级在主控输出端口与驱动三极管基级间串入限流电阻r34，保证系统安全可靠运行，最后将相应的指示设备连接到输出端口p11(以第一路输出output_0为例)，当外部为大功率设备时p11带载线圈电压为24v交流接触器或者先带线圈电压为24v的中间继电器再带相应大型交流接触器。

如图6所示，所述中央管理系统还包括

第一外控模块，与中央处理模块连接，用于人工输入控制信号，包括第一控制按键、连接于第一控制按键与中央处理模块之间用于对输入信号进行隔离处理的光电耦合器tlp185、设置于光电耦合器输入端的限流电阻r18、以及设置于光电耦合器输出端的上拉电阻r19；

所述支点处理系统还包括

第二外控模块，与主控模块连接，用于人工输入控制信号，包括第二控制按键、连接于第二控制按键与主控模块之间用于对输入信号进行隔离处理的光电耦合器tlp185、设置于光电耦合器输入端的限流电阻r18、以及设置于光电耦合器输出端的上拉电阻r19。

为了避免外部供电异常或者环境恶劣等情况导致主控芯片io引脚上电压过高而损毁主控芯片，外控模块采用光电耦合器tlp185对输入信号进行隔离处理，外部控制信号通过限流电阻r18进入光耦u2，当有信号输入时光电耦合器输出三极管导通输出信号in_0对地短接输出低电平，当无信号输入时输出三极管截止输出端对地开路，在上拉电阻r19的作用上输出高电平。

如图7所示，所述中央管理系统还包括

中央显示模块，与中央处理模块连接，用于显示各水塔的具体状态，包括用于显示较多数据信息的显示器hj_240128、以及用于调节显示器对比度的可调电阻r16；

所述支点处理系统还包括

支点显示模块，与主控模块连接，用于显示某水塔的具体状态，包括用于显示较少数据信息的小型显示器hj_lcd12864或hj_lcd12832、以及用于调节显示器对比度的可调电阻r16。

为了能达到较好的显示效果，这里涉及到显示器背光和显示器对比度调节两个问题，在对比度调节上通过可调电阻r16按需调节，亮度上通过主控芯片进行智能调节。

如图2所示，所述中央管理系统还包括

中央记录模块，与中央处理模块连接，用于实时记录各水塔状态，包括第一时钟单元与第一存储单元；

所述第一时钟单元由实时时钟芯片ds1302和晶振y2组成；

所述第一存储单元包括设有串行外设接口的存储卡、以及用于连接存储卡与系统的接口tf1，所述接口tf1包括用于启用存储卡的引脚tf_cs、用于检测存储卡是否插入的引脚tf_cd、用于实现同步时钟的引脚sck、数据传输引脚miso和mosi、以及存储卡接地端gnd；

所述支点处理系统还包括

支点记录模块，与主控模块连接，用于实时记录某水塔状态，包括第二时钟单元与第二存储单元；

所述第二时钟单元由实时时钟芯片ds1302和晶振y2组成；

所述第二存储单元包括设有串行外设接口的存储卡、以及用于连接存储卡与系统的接口tf1，所述接口tf1包括用于插入存储卡的引脚tf_cs、用于检测存储卡是否插入的引脚tf_cd、用于连接时钟单元的引脚sck、数据传输引脚miso和mosi、以及存储卡接地端gnd。

在记录各水池状态时为了方便了解系统状态以及查找系统异常记录，本系统引入实时时钟模块ds1302，在记录水池状态的同时记录具体时刻信息，还能对数据进行分析与预测。系统状态信息数据量较为庞大，因此采用外部存储媒介保存相应数据信息，本系统采用的是spi通信接口的tf卡进行数据存储，如图中tf1即为tf卡接口。

所述电源系统由中央供电系统和支点供电系统构成，如图8所示，均包括用于将外部供电dc_24v_in转换为内部供电dc_24v的供电转换模块、用于将dc_24v再转换为满足各模块用电需求电压的电源转换模块、以及用于指示各模块供电状态的分压限流驱动模块；

所述供电转换模块包括与外部供电dc_24v_in连接的二极管d10、以及与二极管d10连接的保险管f1；

所述电源转换模块包括将dc_24v分别转换为dc5v和dc12v的第一转换电路、以及将dc5v转换为dc3.3v的第二转换电路；所述第一转换电路包括电源转换芯片lm2596s-5和lm2596s-12、续流二极管d4和d5、储能滤波电感l1和l2、以及滤波电容c8和c23，所述第二转换电路包括转换芯片lm1117s-3.3；

所述分压限流驱动模块包括指示灯d6-d9和限流电阻r40-r43；

所述电源系统还包括用于当外部供电异常时提供电力的内置电池，当外部供电正常时，支点供电模块通过芯片ds1302对内置电池进行涓流充电。

电源系统采用dc24v输入，dc24v由外部ac/dc电源适配器生成，根据实际用电需求，电源适配器输出大于24v1a即可，供电转换模块中外部供电dc_24v_in通过二极管d10(er3a，也可用普通整流二极管代替)防反接保护后经可恢复保险管f1产生dc_24v电源，该模块作用有三：首先作为电源转换电路供电源，其次作为水位、水压等传感器供电(正常24v供电，供电范围一般在dc12v-dc28v之间)，再者作为指示灯、蜂鸣器等声光报警系统供电。

电源转换模块根据系统用电需求由dc24v产生dc12v、dc5v和dc3.3v，12v和5v供电部分均由电源转换芯片lm2596s构成，为了减少系统故障率，根据最少外部原件原则电源转换芯片均采用固定输出芯片即lm2596s-5和lm2596s-12，直接将输出电源反馈到芯片第四脚(fb端口)，lm2596芯片内置驱动开关管直接输出150khz流峰值能达到3a的pwm功率信号，同时具备输出短路保护、输出过载保护等功能，在满足系统要求的同时外部仅需一个续流二极管(如图中d4和d5)、一个储能滤波电感(如图中l1和l2)及相应滤波电容即可，由于开关频率达到150khz，储能滤波电感和电容容量可以大大降低节约成本节省空间。dc3.3v部分鉴于用电设备功耗低，且系统中有dc5v，两者压差较小直接采用lm1117s-3.3组成线性稳压电源，满足供电需求的同时又能达到节能与节省成本的要求。

分压限流驱动模块中由d6、d7、d8、d9和r40、r41、r42、r43组成的分压限流驱动电路作为dc24v、dc12v、dc5v和dc3.3v供电状态指示灯，可以简单明了检测系统供电状态。

上述具体实施方式只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。