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★北京城市排水集團有限責(zé)任公司劉偉，張建強，楊自強

★北京顯通恒泰科技有限公司張彤

★北京城市排水集團有限責(zé)任公司裘巖

某水廠目前安裝廠區(qū)進(jìn)水兩塊自來水水表，用以測量整個廠區(qū)水區(qū)和泥區(qū)的自來水用量。本次水表數(shù)據(jù)采集利用物聯(lián)網(wǎng)及無線技術(shù)，實現(xiàn)比傳統(tǒng)PLC采集少土方施工的技術(shù)方向，以“WAMP”為數(shù)據(jù)平臺、“ESP8266MCU”為邊緣計算核心及“LORA”為通訊載體定期發(fā)送數(shù)據(jù)給中心端，實現(xiàn)了以太陽能為能源，搭建的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)保存方面，本次研究單獨部署了一個開源“LAMP”系統(tǒng)，也就是使用“l(fā)inux”作為操作系統(tǒng)，“Apache”網(wǎng)頁服務(wù)，“Mysql”數(shù)據(jù)庫,“PHP”服務(wù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)分析采“邊緣計算”，即用物聯(lián)網(wǎng)的特征“萬物互聯(lián)”，不同于傳統(tǒng)工控控制端在PLC,物聯(lián)網(wǎng)在物端有計算控制和通訊能力，發(fā)生在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析處理和計算。根據(jù)運行情況給儀表端“ModbusRTU”從站供電，作為“ModbusRTU”主站采集從站數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，并編寫報文，啟動“LORA”工作，并發(fā)送報文，最后關(guān)閉外部電源進(jìn)入休眠模式完成整個采集流程計算，最后在數(shù)據(jù)訪問端開發(fā)了基于CS的c#程序和基于BS架構(gòu)的PHP服務(wù)。

某再生水廠水表數(shù)據(jù)需要采集到系統(tǒng)，根據(jù)位置和廠區(qū)自控設(shè)備的部署情況選取最優(yōu)的策略。本次進(jìn)廠水表遠(yuǎn)離現(xiàn)有系統(tǒng)和電纜通道，采用傳統(tǒng)PLC加DCS的方式，施工成本高昂。廠技術(shù)團隊另辟蹊徑，嘗試以無線的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸，研發(fā)了基于PCB層面的控制器設(shè)計、光伏及系統(tǒng)低功耗設(shè)計、LoRa傳輸?shù)乃接袇f(xié)議設(shè)計，應(yīng)用WAMP系統(tǒng)，并編寫了數(shù)據(jù)入庫程序，開發(fā)了BS和CS架構(gòu)的數(shù)據(jù)查詢應(yīng)用。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

本次主要研究以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)采集和保存

（2）數(shù)據(jù)存儲

（3）數(shù)據(jù)訪問

（4）數(shù)據(jù)應(yīng)用

1.1數(shù)據(jù)采集和保存

某再生水廠目前的數(shù)據(jù)保存在相對封閉的DCS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以查詢歸檔的歷史數(shù)據(jù)，但是訪問相對不方便，一般通過DCS界面進(jìn)行訪問查詢。

行業(yè)內(nèi)倡導(dǎo)的“雙網(wǎng)融合”目標(biāo)是讓工控網(wǎng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上結(jié)合IT網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供更為方便的訪問方式。

本項目以探索的方式，部署了一個WAMP系統(tǒng)，即使用Windows操作系統(tǒng)，Apache網(wǎng)頁服務(wù)，MySQL數(shù)據(jù)庫，PHP服務(wù)應(yīng)用。

1.2數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)庫中包含一張數(shù)據(jù)表名稱為“his_xhm_simbase”，用于存儲記錄過程數(shù)據(jù)，如不同工藝設(shè)備代號、記錄時間、工藝單位等。

本項目開發(fā)了數(shù)據(jù)接入服務(wù)程序。該應(yīng)用運行期間會偵聽串口LoRa模塊的報文并進(jìn)行解析，用SQL語句把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。

1.3數(shù)據(jù)訪問

基于數(shù)據(jù)庫的IT應(yīng)用方式很多，目前開發(fā)的程序主要是基于CS架構(gòu)和基于BS架構(gòu)的瀏覽器查詢數(shù)據(jù)。未來隨著數(shù)據(jù)的數(shù)量和接入點的增多，基于大數(shù)據(jù)的工藝優(yōu)化程序成為可能。

1.4控制器研發(fā)

供電單元：現(xiàn)場供電采用太陽能電池板、充電模組、鉛酸電池構(gòu)成的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供5VDC和12VDC兩路直流電源供給；

通訊單元：采用LoRa433MHz模塊，定期發(fā)送數(shù)據(jù)給中心端；控制單元現(xiàn)場部署一套ESP8266物聯(lián)網(wǎng)單元和配套支持電路。

2   系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的設(shè)計主要包括以下幾個部分：

（1）基于水表的低功耗設(shè)計；

（2）基于LoRa模塊數(shù)據(jù)采集低功耗設(shè)計；

（3）系統(tǒng)硬件復(fù)位電路的設(shè)計；

（4）系統(tǒng)邊緣計算設(shè)計與控制。

2.1基于水表的低功耗設(shè)計

本次研究采用光伏供電，除了要保證自身MCU控制系統(tǒng)供電外，還要考慮給水表進(jìn)行供電。

水表工作不需要電源，但是和水表的Modbus模塊通訊的時候，需要給它提供12VDC的電源。這個電源如果一直提供，在沒有外部供電的情況下，會對光伏和儲能模塊提出比較大的能耗需求。設(shè)計研究的方案是在MCUESP8266休眠的時候，斷開給儀表12V的供電，我們選擇的是松下電子的光耦合固態(tài)繼電器AQW212EH，電路實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 水表485供電硬件電路設(shè)計

2.2基于LoRa模塊數(shù)據(jù)采集的低功耗設(shè)計

LoRa模塊采用壹佰特的E32-TTL-1W，該模塊是一款基于SEMTECH公司SX1278射頻芯片的無線串口模塊（UART），采用透明傳輸方式，工作在410~441MHz頻段（默認(rèn)433MHz），1W發(fā)射功率，LoRa擴頻技術(shù)，TTL電平輸出。

該模塊提供了低功耗的管腳配置，在M1管腳和M2管腳都為高電平情況下，發(fā)射模塊進(jìn)入休眠模式，其休眠電流為2^A，工作期間在發(fā)射時候670mA@30dBo

在微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）休眠的時候，GPI。管腳處于釋放狀態(tài)，無法為E32模塊提供適合的高電平信號使其進(jìn)入休眠。需要使用一個SS8050

的三極管做一個電平轉(zhuǎn)換電路，此時提供2個高電平輸出；當(dāng)MCU喚醒后，給出GPIO高電平，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后給出M0M1低電平，使它們進(jìn)入工作狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 LoRa模塊數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計

2.3系統(tǒng)硬件復(fù)位電路的設(shè)計

在失去電源后，如果MCU處在休眠模式，則GPIO16會給出一個低電平脈沖，脈沖出現(xiàn)后將不再重復(fù)輸出。如果增加一個外圍電路，在電壓降低到臨界值或者電壓升高到臨界值時，單獨給出低電平脈沖到reset管腳，或許可以解決“假死”后自恢復(fù)問題。選擇TL7705AC做了一個外部復(fù)位電路。

本系統(tǒng)是由太陽能電池板進(jìn)行供電、鉛酸電池進(jìn)行電能保存，失電后如果光伏恢復(fù)，首先電流要大于100mA解決MCU“假死”的供電電耗，如果有富余電能，光伏會緩慢給電池充電，在電池電壓升高觸發(fā)閾值后，會給MCU一個低電平脈沖。復(fù)位情況如圖3所示。

圖3 復(fù)位邏輯時序圖

MCU接收到復(fù)位信號會啟動，但是ESP8266啟動電流為200~500mA,相對于剛剛充電到臨界電壓的電源系統(tǒng)來說負(fù)擔(dān)很重，無法維持正常的運行狀態(tài)，造成關(guān)機。

改進(jìn)措施：增加C1電容，延長TD時間，希望給電源系統(tǒng)更多的充電時間。

隨后問題又出現(xiàn)了，MCU在reset低電平的時候也有很大的功耗，在reset低電平情況下無法提供足夠的充電電能。此再生水廠使用的進(jìn)水水量數(shù)據(jù)報送頻率實際上是1天1次，目前把數(shù)據(jù)報送頻率調(diào)整為1800秒(30分鐘)一次，把每天24X60X2=2880次減少為48次。電源系統(tǒng)可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定工作。

2.4系統(tǒng)邊緣計算與控制

邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的幵放平臺，就近提供最近端服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體和工業(yè)連接之間，或處于物理實體的頂端。而云端計算，仍然可以訪問邊緣計算的歷史數(shù)據(jù)。

簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)的特征是“萬物互聯(lián)”，不同于傳統(tǒng)工控控制端在PLC,物聯(lián)網(wǎng)在物端有計算控制和通訊能力，發(fā)生在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和計算就是“邊緣計算”。

具體計算內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)運行情況給儀表端“ModbusRTU”從站供電；

(2)作為“ModbusRTU”主站采集從站數(shù)據(jù)；

(3)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，編寫報文；

(4)啟動“LoRa”工作，并發(fā)送報文；

(5)關(guān)閉外部電源進(jìn)入休眠模式。

3   系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與存儲

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與存儲;

(2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。

3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與存儲

安裝本次開發(fā)的CS架構(gòu)軟件：“某再生水無線數(shù)據(jù)串口接收程V02B”軟件，該軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件開發(fā)

功能有四個方面。

(1)接收：在串口安裝了“LoRa”接收裝置并轉(zhuǎn)

為串口數(shù)據(jù)，接收到不同設(shè)備發(fā)送的JSON報文；

(2)解析：接收到報文會進(jìn)行JSON格式的解析，得到接收變量和對應(yīng)值；

(3)辨析：把解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果對應(yīng)的key和value不符合識別規(guī)則，則沒接收到；

(4)入庫：以SQL語言把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫hisxhmsimtable中。數(shù)據(jù)表如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)表存儲

3.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢與顯示

基于MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)展示，在IT行業(yè)就有無窮多的案例說明和應(yīng)用。本次研究是基于CS架構(gòu)開發(fā)的應(yīng)用。圖6為CS客戶端方式的水表查詢軟件界面，用戶輸入查詢的開始、結(jié)束時間和變量名稱，就可以查詢對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)成曲線，另存csv文件等功能。

圖6 數(shù)據(jù)查詢界面

4典型代碼

4.1數(shù)據(jù)合成

Modbus的HoldingRegisters是16-bit整型，從站儀表的數(shù)據(jù)給出的32-bit的長整數(shù)，當(dāng)MCU用F03指令讀取從站的保持寄存器HoldingRegisters的數(shù)據(jù)，合成整數(shù)方面查閱技術(shù)資料，得到如下結(jié)論：

實際儀表數(shù)據(jù)二數(shù)據(jù)高位*0xff+低位數(shù)據(jù)。代碼段實現(xiàn)如下：

for(inti=0;i<MBcounts;i++)

{

uMybuf[i]=ModbusRTUClient.read();DEBUGLOG(H[%d]\t\nH,uMybuf[i]);

}

longlsum=uMybuf[0]*65536+uMybuf[1];

水表提供的數(shù)據(jù)是0.01立方米為基本單元，最終得到的整數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)換后再除以100。

4.2Modbus中浮點數(shù)的識別轉(zhuǎn)換

Modbus還能以數(shù)據(jù)高位和數(shù)據(jù)低位的合成方式實現(xiàn)浮點數(shù)的合成，解析高低數(shù)據(jù)，我們寫了一個方法用于實現(xiàn)這一功能，代碼如下：

floatuint2float(uint_uintB,uint_uintA)

{

DEBUGLOG("DBG_uintA=%d\t_uintB=%d\t\n",_uintA,_uintB);

intintSign,intSignRest,intExponent,intExponentRest;

floatfaResult,faDigit;

intSign=_uintA/32768;

intSignRest=_uintA%32768;

intExponent=intSignRest/128;

intExponentRest=intSignRest%128;

faDigit=(float)(intExponentRest*65536+_uintB)/8388608;

faResult=(float)pow(-l,intSign)*(float)pow(2,intExponent-127)*(faDigit+1);

DEBUGLOG("intSign=%d\tintSignRest=%d\tintExponent=%d\tintExponentRest%d\tfaDigit%d\t\n",intSign,intSignRest,intExponent,intExponentRest,faDigit);

returnfaResult;

}

作者簡介：

劉  偉(1988-)，男，河北保定人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京城市排水集團有限責(zé)任公司，研究方向為工業(yè)自動化控制。

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 摘自《自動化博覽》2022年第三期