摘 要
城市集中供热的运行管理中，热力二级管网作为供暖系统的重要的一环，通过对供热管网的远程集中监控、调节和对温度、压力、流量等参数的采集分析及处理，可以实现日常生产调度管理的自动化，提高运行管理效率。同时，降低成本和提高效益也是通过该项技术实现的重要目标。这样的技术应用还能够更好地保障广大人民群众在冬季的采暖需求，让供热企业和社会得到共同的发展和进步。
本次主要设计一种基于STM32热力二级管网远程监控系统设计。基于STM32单片机的热力二级管网远程监控系统通过温度传感器、流量传感器、压力传感器对热力二级管网进行远程监控。用户可以采用手机短信的方式远程设置温度、压力、流量等阈值范围或者是采用按键的手动方式进行阈值范围的修改，系统可以实时监测温度、压力、流量等状况，如果超过阈值范围将通知管理员作出相应的调整。
关键词：STM32单片机；远程监控系统；热力二级管网
ABSTRACT
In the operation and management of urban central heating, the secondary thermal pipe network serves as an important part of the heating system. Through the remote centralized monitoring and adjustment of the heating pipe network and the collection, analysis and processing of temperature, pressure and flow parameters, the automation of daily production scheduling and management can be realized and the efficiency of operation and management can be improved. At the same time, reducing costs and improving efficiency are also an important goal to achieve through this technology. The application of such technology can also better guarantee the heating needs of the broad masses of the people in winter, so that the heating enterprises and the society can get common development and progress.
There is a remote monitoring system design based on STM 32 thermal secondary pipe network. The remote monitoring system of the thermal secondary pipe network based on STM 32 CM monitors the thermal secondary pipe network remotely through the temperature sensor, flow sensor and pressure sensor. Users can remotely set the threshold range of temperature, pressure and flow by mobile phone SMS or manually modify the threshold range. The system can monitor the temperature, pressure, flow and other conditions in real time. If the threshold range exceeds, the system will inform the administrator to make corresponding adjustments.
Keywords：STM32 MCU; Remote monitoring system; Thermal secondary pipe network
目 录
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
1.2 国内外现状分析
1.3 主要研究内容
1.4 论文构成
第2章 系统总体结构设计
2.1 设计方案
2.2 功能需求分析
2.2.1 技术路线
2.2.2 预期结果
2.3 单片机型号选型
2.4 系统运行环境
2.4.1 硬件环境
2.4.2 软件环境
2.5 总体方案设计
第3章 系统硬件部分设计
3.1 系统总体设计
3.2 系统主要功能模块设计
3.2.1 压力传感器功能模块设计
3.2.2 温度传感器功能模块设计
3.2.3 流量传感器功能模块设计
3.2.4 显示屏功能模块设计
3.3 本章小结
第4章 软件系统设计
4.1 软件主流程图
4.2 压力传感器程序的设计
4.3 温度传感器程序的设计
4.4 流量传感器程序的设计
4.5 本章小结
第5章 系统测试
5.1 系统实物图
5.2 测试目的
5.3 测试原则
5.4 功能测试
5.5 测试结果
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致 谢
附录A 总原理图
附录B 程序
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
基于STM32热力二级管网远程监控系统设计的目的是通过使用STM32单片机作为系统的核心处理器，结合各种传感器和通信模块，实现对热力二级管网的远程监控。通过在管网各个节点上安装传感器，监测管道温度、压力、流量等参数，并将这些数据通过通信模块上传至云端或本地服务器，实现对管网的远程监控和管理[1]。通过及时监测管网参数，实现对管网的实时监测和故障预警，及时发现和排除故障，提高管网的安全性和稳定性。通过远程监控和管理，减少对现场人员的依赖，降低管理成本，同时可以更加高效地管理管网，减少能源损失，提高能源利用效率。通过远程监控和管理，可以更加及时地响应用户需求，提高用户体验[2]。同时，通过对管网的优化和管理，也可以提高供热水的稳定性和舒适度，改善用户体验。
基于STM32热力二级管网远程监控系统的设计具有以下几个意义：
提高管网安全性和稳定性：通过实时监测和故障预警，能够快速发现管网故障并及时采取措施，降低管网事故的发生率，提高管网安全性和稳定性[3]。
提高能源利用效率：通过对管网数据进行实时监测和分析，能够优化管网的运行方式，减少能源损失，提高能源利用效率，节约能源资源[4]。
降低管网运行成本：通过远程监控和管理，能够降低现场人员的依赖，减少管理成本，同时能够及时处理故障，避免管网运行停滞，降低维护和修复成本。
改善用户体验：通过优化管网运行方式和管理方式，能够提高供热水的稳定性和舒适度，改善用户体验，提高用户满意度[5]。
推动智能化建设：基于STM32单片机等先进技术的应用，能够推动智能化建设的发展，提高工业自动化水平和智能化程度，促进技术创新和产业升级。
1.2 国内外现状分析
《基于STM32的热力管网远程监测系统设计与实现》（2019年，李庆丰、张海峰、王玉龙，发表于《仪器仪表学报》）。该论文利用STM32微控制器和GPRS无线通信技术设计了一个热力管网远程监测系统，采用温度传感器和压力传感器对管网进行监测，可以实现实时数据采集、传输、处理和显示等功能[6]。
《基于STM32的热力管网远程监测系统设计》（2018年，张婕、王越、赵楠，发表于《电子设计工程》）。该论文设计了一种基于STM32的热力管网远程监测系统，采用热电偶和压力传感器对管网进行监测，利用GPRS通信模块实现远程数据传输和控制，可以实现实时监测、远程控制和故障诊断等功能[7]。
《基于STM32的热力管网远程监控系统设计与实现》（2020年，蔡静、王永刚、刘文浩，发表于《计算机技术与发展》）。该论文利用STM32微控制器和LoRa无线通信技术设计了一个热力管网远程监测系统，采用温度传感器和流量传感器对管网进行监测，可以实现数据采集、处理、传输和远程监测等功能，具有实时性和高可靠性[8]。
《Remote monitoring system for district heating networks using wireless sensors》（2016年，Hans Peter Frank, et al.，发表于《Energy Procedia》）。该论文利用无线传感器网络技术设计了一个远程监控系统，可以实时监测热力管网中的温度、压力和流量等参数，采用云端数据处理和可视化界面实现远程监控和故障诊断等功能[9]。
《Design and Implementation of Automatic Monitoring and Control System for District Heating Networks》（2015年，Igor Kozić, et al.，发表于《IEEE Transactions on Power Systems》）。该论文利用智能控制技术设计了一个自动监控和控制系统，可以对热力管网中的供热系统、泵站和阀门等设备进行远程控制和监测，采用传感器和通信技术实现实时数据采集和传输[10]。
《Fault Detection and Diagnosis of a District Heating Network Using Artificial Neural Networks》（2017年，Zhaoyu Qin, et al.，发表于《IEEE Transactions on Industrial Informatics》）。该论文利用人工神经网络技术设计了一个故障检测和诊断系统，可以对热力管网中的故障进行识别和定位，提高系统的稳定性和可靠性，采用温度、压力和流量传感器实现实时数据采集[11]。
综上所述，热力二级管网在人们的生活中有着越来越重要的作用，但是并没有一种简洁的、低功耗的热力二级管网远程监控系统[12]。因此，本文设计了一款基于STM32热力二级管网远程监控系统，可以测量管内压强、温度、流量，并且可以显示采集到的信息。可以远程控制采取相应解决措施。
1.3 主要研究内容
本次主要设计一种基于STM32热力二级管网远程监控系统设计。包括温度传感器、流量传感器、压力传感器对热力二级管网进行远程监控。采用手机短信的方式远程设置温度、压力、流量等阈值范围或者是采用按键的手动方式进行阈值范围的修改，系统可以实时监测温度、压力、流量等状况，如果超过阈值范围系统会进行报警。
1.4 论文构成
论文在开始部分对系统管理开发背景中，使用相应的开发技术进行论述，在对系统的生产和市场需求等分析，完成详细的论述，最后实现系统各个模块的设计、编辑，实现对功能模块的搭建，最后在这些基础上，对其开发流程完成论述[13]。本论文的组织结构如下。
第1章主要的内容是完成系统开发状况的分析，对当前国内外的状况分析，研究其开发的意义。
第2章主要内容是系统开发过程中所用到的核心技术以及、系统开发过程中使用的开发平台以及需求分析。
第3章主要是对系统的硬件进行了分析。
第4章主要是系统软件设计逻辑说明。
第5章主要是系统功能实现的测试说明。
第6章主要是对系统设计的总结和展望。
第2章 总体结构设计
在功能结构模块设计的基础上，系统设计会详细展现每个功能模块具体的实现流程，并详细描述出系统功能模块的输入、输出和处理过程，这可以有效避免在系统实施阶段对程序进行设计时，用特定传感器进行硬件设计，从而实现系统的整体功能。
2.1 设计方案
本设计是STM32F103C8T6单片机为控制核心，压力传感器，流量传感器，温度传感器，GSM短信，独立按键，显示屏，实现基于STM32热力二级管网远程监控系统设计。系统框图如下图2-1：
图2-1 结构框图
2.2 功能需求分析
所谓系统的功 能 分析，就是分析用户提出的 具 体的功 能需求，分析这些 功能是否合理 ，通 过现有的 技术能实现这些需求[14]。为了系统的完整性需求 分析是必 不可少的 ，因 此，在需求分 析过程中，分析的问题越透 彻系统就越完整[15]。
传感器、计算机技术以及通信技术是信息技术三大支柱，其中传感器在硬件系统中扮演着关键的角色。传感器是一种能够将各种生物量、物理量、化学量等转换为电量的设备，用于测量并记录各种环境参数或物理量的变化。因此，传感器是硬件系统中获取所需信息的重要手段，可以实现各种生物量、物理量、化学量等的测量和监测。利用生物，物理和化学效应将其转换为 需的电量[16]。本系统采用的模块如下。
压力传感器模块：压力传感器需要具备高精度的测量能力，以便准确测量管道内的压力变化情况；压力传感器需要具备较高的安全性和可靠性，以便在使用过程中保证设备运行的安全和可靠性；压力传感器需要具备广泛的测量范围，以便能够适应不同管道的压力测量需求；压力传感器需要具备长寿命特性，以便能够在长期使用中保持准确的测量数据；压力传感器需要具备快速响应的特性，以便在管道压力发生变化时能够及时更新数据并做出相应的调整；压力传感器需要具备良好的抗干扰性，以便在各种环境条件下都能够正常工作，而不受外部因素的干扰；压力传感器需要具备易于安装和维护的特性，以便在安装和维护过程中减少不必要的时间和成本[17]。
温度传感器模块：温度传感器需要有较高的测量精度，以确保数据的准确性和可靠性；温度传感器需要能够适应不同的环境温度范围，例如-40℃至+125℃，以满足不同场景的使用需求；温度传感器需要具有高稳定性和可靠性，能够在长时间使用中保持一致的性能表现，避免因传感器故障造成的误测和误判；温度传感器需要有快速响应的能力，能够在短时间内对环境温度变化做出反应，以保证监测数据的及时性；由于温度传感器通常需要安装在室外或者潮湿环境下，因此需要具备防水和防尘的能力，以保证传感器的正常运行和寿命；温度传感器需要具备简单易用的安装和维护方式，以减少安装和维护的成本和工作量。综上所述，温度传感器在基于STM32热力二级管网远程监控系统中的功能需求主要包括测量精度高、适应不同环境、高稳定性和可靠性、快速响应、防水防尘和易于安装和维护等方面[18]。
流量传感器模块：流量传感器需要具备高精度的测量能力，以便准确测量管道内的流量变化情况；流量传感器需要具备较高的安全性和可靠性，以便在使用过程中保证设备运行的安全和可靠性；流量传感器需要具备宽测量范围，以便能够适应不同管道的流量测量需求；流量传感器需要具备快速响应的特性，以便在管道流量发生变化时能够及时更新数据并做出相应的调整；流量传感器需要具备长寿命特性，以便能够在长期使用中保持准确的测量数据；流量传感器需要具备良好的抗干扰性，以便在各种环境条件下都能够正常工作，而不受外部因素的干扰[19]；流量传感器需要具备易于安装和维护的特性，以便在安装和维护过程中减少不必要的时间和成本； 流量传感器需要支持多种输出信号，以便满足不同的应用需求，比如模拟信号、数字信号或者总线通信等。
GSM短信模块： GSM短信模块需要支持GSM网络，以便能够通过短信进行数据传输和控制命令发送；GSM短信模块需要具备快速响应的特性，以便在接收到控制命令或者数据请求时能够及时发送短信回复[20]；GSM短信模块需要具备较高的可靠性，以便能够在不良环境下稳定工作，并保证短信的传输和接收质量；GSM短信模块需要具备较高的安全性，以便能够保证短信的机密性和完整性，避免数据被篡改或者泄露[21]；GSM短信模块需要具备操作简易的特性，以便用户可以轻松掌握使用方法，快速上手操作；GSM短信模块需要具备可扩展性，以便能够适应未来的技术发展和新需求的加入；GSM短信模块需要支持多语言，以便在不同地区或者不同语言环境下都能够正常工作；GSM短信模块需要具备低功耗的特性，以便能够在长时间运行的情况下降低能耗和成本[22]。
显示屏模块：显示屏需要具备高清晰度的特性，以便能够清晰地显示各种图表、图像、文字等信息；显示屏需要具备较大的尺寸，以便能够在一定的距离上便于用户观看； 显示屏需要具备广泛的可视角度，以便在不同角度下用户都能够看到清晰的信息；显示屏需要具备稳定的显示性能，以便在长期使用中能够保持良好的显示效果；显示屏需要具备显示内容可变的特性，以便能够显示不同的信息和数据，并且用户可以自行设置和调整显示内容；显示屏需要具备多种显示效果，以便能够通过不同的颜色、字体、动画等方式，使显示效果更加丰富；显示屏需要具备可调节亮度的特性，以便用户在不同环境下能够选择适合的亮度；显示屏需要具备耐用性，以便能够在长期使用中不容易损坏和老化。显示屏能够与主控板进行通讯，以便实现远程控制和数据传输[23]。
2.2.1 技术路线
（1）硬件部分需要单片机、压力传感器、流量传感器、温度传感器、GSM短信、独立按键、显示屏；
（2）软件平台程序用keil 5；
（3）画原理图用AD；
（4）编程语言用C语言；
（5）用户信息显示查看。
2.2.2 预期结果
实现的功能如下：
1.系统实时监测二级管网的温度状况，显示；
2.系统实时监测二级管网的流量状况，显示；
3.系统实时监测二级管网的压力状况，显示；
4.系统监测到二级管网温度不足，短信发送管理员，输出加热信号，开启加热补温功能；
5.系统监测到二级管网流量不足，短信发送管理员，输出增流信号，开启补水增流功能；
6.系统监测到二级管网压力不足，短信发送管理员，输出增压信号，开启补水增压功能；
7.系统监测到二级管网压力过大，短信发送管理员，输出降压信号，开启放水降压功能；
8.用户可通过短信/按键修改阈值状况：温度阈值、流量阈值、压力阈值。
2.3 单片机型号选型
51单片机的存储器容量较小，只能处理比较简单的应用程序。对于复杂的应用程序，可能需要使用外部存储器或选择其他微控制器。单片机只支持八位处理器架构，这限制了其处理速度和能力，对于需要更高性能的应用程序，可能需要选择其他微控制器。相比其他微控制器，单片机缺乏一些硬件模块，如模拟转换模块、USB接口、以太网接口等，这些模块需要通过外部芯片实现。由于该单片机的开发历史较长，一些新的开发工具和技术可能不支持它。这使得对于一些特定的应用程序，可能需要花费更长的时间和精力来开发和调试。该单片机的AD、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担；虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，这也是该系列单片机的最大软肋；运行速度过慢，特别是双数据指针，如能改进能给编程带来很大的便利。51单片机保护能力很差，很容易烧坏芯片，目前在教学场合和对性能要求不高的场合大量被采用。
32位单片机使用更宽的数据总线和地址总线，可以处理更大的数据和更复杂的指令，提供更高的处理速度和处理能力。具有更大的存储器容量，可以存储更多的程序和数据，满足更复杂的应用程序的需要。单片机通常配备更多的硬件模块，如多个定时器、控制器、以太网接口、USB接口等，这些硬件模块可以提高系统性能并简化软件设计。该单片机通常提供更多的外设接口，并且该单片机使用更先进的制造工艺，功耗更低、可靠性更高，同时可实现更小的封装，便于集成到更小的设备中。由于该单片机的市场需求日益增加，有很多成熟的开发工具和支持，方便开发者使用和调试。综上所述，32位单片机在处理速度、存储器容量、硬件模块、外设接口、制造工艺和开发工具等方面都有明显的优势，适用于更复杂的应用程序。
2.4 系统运行环境
该基于STM32热力二级管网远程监控系统，是基于STM32系列单片机搭载各种硬件设备实现的。
2.4.1 硬件环境
本系统需要一定的硬件设备支持。
（1）STM32F103C8T6单片机核心板模块；
（2）压力传感器、流量传感器、温度传感器、GSM短信模块；
（3）显示屏、按键；
（4）硬件间排线等若干。
2.4.2 软件环境
系统对软件环境的要求如下。
（1）电脑操作系统：Windows10；
（2）开发软件：Keil uVision5；
（3）程序语言：C语言；
（4）程序下载串口软件：FlyMcu；
（5）网络协议：TCP/IP。
2.5 总体方案设计
第一步：通过图书馆和网络查询到所需要的资科，要各个硬件器件的详细资料，包括STM32F103C8T6芯片的资料、传感器模块的详细资料及其介绍和各个品种的优缺点；
第二步：确定系统各个模块，理清各个模块之间的关系，收集相关得到软硬件资料；
第三步：规划课题，确定系统组成结构，勾画出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理框图；
第四步：利用软件完成硬件电路部分设计并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图；
第五步：根据系统控制过程完成软件设计部分，绘制出主流程图；
第六步：进行模拟仿真，检查系统是否能够按照要求实现控制功能，整理论文。
