★北京城市排水集團有限責任公司劉偉，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任公司裘巖

某水廠(chǎng)目前安裝廠(chǎng)區進(jìn)水兩塊自來(lái)水水表，用以測量整個(gè)廠(chǎng)區水區和泥區的自來(lái)水用量。本次水表數據采集利用物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現比傳統PLC采集少土方施工的技術(shù)方向，以“WAMP”為數據平臺、“ESP8266MCU”為邊緣計算核心及“LORA”為通訊載體定期發(fā)送數據給中心端，實(shí)現了以太陽(yáng)能為能源，搭建的現場(chǎng)數據采集系統。數據保存方面，本次研究單獨部署了一個(gè)開(kāi)源“LAMP”系統，也就是使用“l(fā)inux”作為操作系統，“Apache”網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，“Mysql”數據庫,“PHP”服務(wù)應用。數據分析采“邊緣計算”，即用物聯(lián)網(wǎng)的特征“萬(wàn)物互聯(lián)”，不同于傳統工控控制端在PLC,物聯(lián)網(wǎng)在物端有計算控制和通訊能力，發(fā)生在現場(chǎng)的數據采集數據分析處理和計算。根據運行情況給儀表端“ModbusRTU”從站供電，作為“ModbusRTU”主站采集從站數據，轉換數據格式，并編寫(xiě)報文，啟動(dòng)“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(gè)采集流程計算，最后在數據訪(fǎng)問(wèn)端開(kāi)發(fā)了基于CS的c#程序和基于BS架構的PHP服務(wù)。

某再生水廠(chǎng)水表數據需要采集到系統，根據位置和廠(chǎng)區自控設備的部署情況選取最優(yōu)的策略。本次進(jìn)廠(chǎng)水表遠離現有系統和電纜通道，采用傳統PLC加DCS的方式，施工成本高昂。廠(chǎng)技術(shù)團隊另辟蹊徑，嘗試以無(wú)線(xiàn)的方式對數據進(jìn)行采集傳輸，研發(fā)了基于PCB層面的控制器設計、光伏及系統低功耗設計、LoRa傳輸的私有協(xié)議設計，應用WAMP系統，并編寫(xiě)了數據入庫程序，開(kāi)發(fā)了BS和CS架構的數據查詢(xún)應用。

1　系統結構概述

本次主要研究以下幾個(gè)方面：

（1）數據采集和保存

（2）數據存儲

（3）數據訪(fǎng)問(wèn)

（4）數據應用

1.1數據采集和保存

某再生水廠(chǎng)目前的數據保存在相對封閉的DCS數據庫系統，可以查詢(xún)歸檔的歷史數據，但是訪(fǎng)問(wèn)相對不方便，一般通過(guò)DCS界面進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)查詢(xún)。

行業(yè)內倡導的“雙網(wǎng)融合”目標是讓工控網(wǎng)在安全穩定的基礎上結合IT網(wǎng)絡(luò )，為用戶(hù)提供更為方便的訪(fǎng)問(wèn)方式。

本項目以探索的方式，部署了一個(gè)WAMP系統，即使用Windows操作系統，Apache網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，MySQL數據庫，PHP服務(wù)應用。

1.2數據存儲

數據庫中包含一張數據表名稱(chēng)為“his_xhm_simbase”，用于存儲記錄過(guò)程數據，如不同工藝設備代號、記錄時(shí)間、工藝單位等。

本項目開(kāi)發(fā)了數據接入服務(wù)程序。該應用運行期間會(huì )偵聽(tīng)串口LoRa模塊的報文并進(jìn)行解析，用SQL語(yǔ)句把數據寫(xiě)入數據庫。

1.3數據訪(fǎng)問(wèn)

基于數據庫的IT應用方式很多，目前開(kāi)發(fā)的程序主要是基于CS架構和基于BS架構的瀏覽器查詢(xún)數據。未來(lái)隨著(zhù)數據的數量和接入點(diǎn)的增多，基于大數據的工藝優(yōu)化程序成為可能。

1.4控制器研發(fā)

供電單元：現場(chǎng)供電采用太陽(yáng)能電池板、充電模組、鉛酸電池構成的供電系統，該系統提供5VDC和12VDC兩路直流電源供給；

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

2   系統設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水表數據遠傳的設計主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）基于水表的低功耗設計；

（2）基于LoRa模塊數據采集低功耗設計；

（3）系統硬件復位電路的設計；

（4）系統邊緣計算設計與控制。

2.1基于水表的低功耗設計

本次研究采用光伏供電，除了要保證自身MCU控制系統供電外，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(shí)候，需要給它提供12VDC的電源。這個(gè)電源如果一直提供，在沒(méi)有外部供電的情況下，會(huì )對光伏和儲能模塊提出比較大的能耗需求。設計研究的方案是在MCUESP8266休眠的時(shí)候，斷開(kāi)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(shí)現如圖1所示。

圖1 水表485供電硬件電路設計

2.2基于LoRa模塊數據采集的低功耗設計

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(wú)線(xiàn)串口模塊（UART），采用透明傳輸方式，工作在410~441MHz頻段（默認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(shí)候670mA@30dBo

在微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）休眠的時(shí)候，GPI。管腳處于釋放狀態(tài)，無(wú)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(gè)SS8050

的三極管做一個(gè)電平轉換電路，此時(shí)提供2個(gè)高電平輸出；當MCU喚醒后，給出GPIO高電平，經(jīng)過(guò)轉換后給出M0M1低電平，使它們進(jìn)入工作狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 LoRa模塊數據采集硬件電路設計

2.3系統硬件復位電路的設計

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

本系統是由太陽(yáng)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，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(huì )緩慢給電池充電，在電池電壓升高觸發(fā)閾值后，會(huì )給MCU一個(gè)低電平脈沖。復位情況如圖3所示。

圖3 復位邏輯時(shí)序圖

MCU接收到復位信號會(huì )啟動(dòng)，但是ESP8266啟動(dòng)電流為200~500mA,相對于剛剛充電到臨界電壓的電源系統來(lái)說(shuō)負擔很重，無(wú)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(cháng)TD時(shí)間，希望給電源系統更多的充電時(shí)間。

隨后問(wèn)題又出現了，MCU在reset低電平的時(shí)候也有很大的功耗，在reset低電平情況下無(wú)法提供足夠的充電電能。此再生水廠(chǎng)使用的進(jìn)水水量數據報送頻率實(shí)際上是1天1次，目前把數據報送頻率調整為1800秒(30分鐘)一次，把每天24X60X2=2880次減少為48次。電源系統可以實(shí)現長(cháng)期穩定工作。

2.4系統邊緣計算與控制

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

簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)的特征是“萬(wàn)物互聯(lián)”，不同于傳統工控控制端在PLC,物聯(lián)網(wǎng)在物端有計算控制和通訊能力，發(fā)生在現場(chǎng)的數據采集、數據分析處理和計算就是“邊緣計算”。

具體計算內容如下：

(1)根據運行情況給儀表端“ModbusRTU”從站供電；

(2)作為“ModbusRTU”主站采集從站數據；

(3)轉換數據格式，編寫(xiě)報文；

(4)啟動(dòng)“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   系統數據接收與存儲

(1)系統數據的接收與存儲;

(2)系統數據的查詢(xún)與顯示。

3.1系統數據的接收與存儲

安裝本次開(kāi)發(fā)的CS架構軟件：“某再生水無(wú)線(xiàn)數據串口接收程V02B”軟件，該軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件開(kāi)發(fā)

功能有四個(gè)方面。

(1)接收：在串口安裝了“LoRa”接收裝置并轉

為串口數據，接收到不同設備發(fā)送的JSON報文；

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

(3)辨析：把解析的數據進(jìn)行分析處理，如果對應的key和value不符合識別規則，則沒(méi)接收到；

(4)入庫：以SQL語(yǔ)言把數據保存到數據庫hisxhmsimtable中。數據表如圖5所示。

圖5 數據表存儲

3.2系統數據的查詢(xún)與顯示

基于MySQL數據庫的數據展示，在IT行業(yè)就有無(wú)窮多的案例說(shuō)明和應用。本次研究是基于CS架構開(kāi)發(fā)的應用。圖6為CS客戶(hù)端方式的水表查詢(xún)軟件界面，用戶(hù)輸入查詢(xún)的開(kāi)始、結束時(shí)間和變量名稱(chēng)，就可以查詢(xún)對應的歷史數據，轉成曲線(xiàn)，另存csv文件等功能。

圖6 數據查詢(xún)界面

4典型代碼

4.1數據合成

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

實(shí)際儀表數據二數據高位*0xff+低位數據。代碼段實(shí)現如下：

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

{

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

}

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

水表提供的數據是0.01立方米為基本單元，最終得到的整數應轉換后再除以100。

4.2Modbus中浮點(diǎn)數的識別轉換

Modbus還能以數據高位和數據低位的合成方式實(shí)現浮點(diǎn)數的合成，解析高低數據，我們寫(xiě)了一個(gè)方法用于實(shí)現這一功能，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(jiǎn)介：

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

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 摘自《自動(dòng)化博覽》2022年第三期