★北京城市排水集团有限责任公司刘伟，张建强，杨自强

★北京显通恒泰科技有限公司张彤

★北京城市排水集团有限责任公司裘岩

某水厂目前安装厂区进水两块自来水水表，用以测量整个厂区水区和泥区的自来水用量。本次水表数据采集利用物联网及无线技术，实现比传统PLC采集少土方施工的技术方向，以“WAMP”为数据平台、“ESP8266MCU”为边缘计算核心及“LORA”为通讯载体定期发送数据给中心端，实现了以太阳能为能源，搭建的现场数据采集系统。数据保存方面，本次研究单独部署了一个开源“LAMP”系统，也就是使用“linux”作为操作系统，“Apache”网页服务，“Mysql”数据库,“PHP”服务应用。数据分析采“边缘计算”，即用物联网的特征“万物互联”，不同于传统工控控制端在PLC,物联网在物端有计算控制和通讯能力，发生在现场的数据采集数据分析处理和计算。根据运行情况给仪表端“ModbusRTU”从站供电，作为“ModbusRTU”主站采集从站数据，转换数据格式，并编写报文，启动“LORA”工作，并发送报文，最后关闭外部电源进入休眠模式完成整个采集流程计算，最后在数据访问端开发了基于CS的c#程序和基于BS架构的PHP服务。

某再生水厂水表数据需要采集到系统，根据位置和厂区自控设备的部署情况选取最优的策略。本次进厂水表远离现有系统和电缆通道，采用传统PLC加DCS的方式，施工成本高昂。厂技术团队另辟蹊径，尝试以无线的方式对数据进行采集传输，研发了基于PCB层面的控制器设计、光伏及系统低功耗设计、LoRa传输的私有协议设计，应用WAMP系统，并编写了数据入库程序，开发了BS和CS架构的数据查询应用。

1　系统结构概述

本次主要研究以下几个方面：

（1）数据采集和保存

（2）数据存储

（3）数据访问

（4）数据应用

1.1数据采集和保存

某再生水厂目前的数据保存在相对封闭的DCS数据库系统，可以查询归档的历史数据，但是访问相对不方便，一般通过DCS界面进行访问查询。

行业内倡导的“双网融合”目标是让工控网在安全稳定的基础上结合IT网络，为用户提供更为方便的访问方式。

本项目以探索的方式，部署了一个WAMP系统，即使用Windows操作系统，Apache网页服务，MySQL数据库，PHP服务应用。

1.2数据存储

数据库中包含一张数据表名称为“his_xhm_simbase”，用于存储记录过程数据，如不同工艺设备代号、记录时间、工艺单位等。

本项目开发了数据接入服务程序。该应用运行期间会侦听串口LoRa模块的报文并进行解析，用SQL语句把数据写入数据库。

1.3数据访问

基于数据库的IT应用方式很多，目前开发的程序主要是基于CS架构和基于BS架构的浏览器查询数据。未来随着数据的数量和接入点的增多，基于大数据的工艺优化程序成为可能。

1.4控制器研发

供电单元：现场供电采用太阳能电池板、充电模组、铅酸电池构成的供电系统，该系统提供5VDC和12VDC两路直流电源供给；

通讯单元：采用LoRa433MHz模块，定期发送数据给中心端；控制单元现场部署一套ESP8266物联网单元和配套支持电路。

2   系统设计

基于物联网技术水表数据远传的设计主要包括以下几个部分：

（1）基于水表的低功耗设计；

（2）基于LoRa模块数据采集低功耗设计；

（3）系统硬件复位电路的设计；

（4）系统边缘计算设计与控制。

2.1基于水表的低功耗设计

本次研究采用光伏供电，除了要保证自身MCU控制系统供电外，还要考虑给水表进行供电。

水表工作不需要电源，但是和水表的Modbus模块通讯的时候，需要给它提供12VDC的电源。这个电源如果一直提供，在没有外部供电的情况下，会对光伏和储能模块提出比较大的能耗需求。设计研究的方案是在MCUESP8266休眠的时候，断开给仪表12V的供电，我们选择的是松下电子的光耦合固态继电器AQW212EH，电路实现如图1所示。

图1 水表485供电硬件电路设计

2.2基于LoRa模块数据采集的低功耗设计

LoRa模块采用壹佰特的E32-TTL-1W，该模块是一款基于SEMTECH公司SX1278射频芯片的无线串口模块（UART），采用透明传输方式，工作在410~441MHz频段（默认433MHz），1W发射功率，LoRa扩频技术，TTL电平输出。

该模块提供了低功耗的管脚配置，在M1管脚和M2管脚都为高电平情况下，发射模块进入休眠模式，其休眠电流为2^A，工作期间在发射时候670mA@30dBo

在微控制单元（MicrocontrollerUnit，MCU）休眠的时候，GPI。管脚处于释放状态，无法为E32模块提供适合的高电平信号使其进入休眠。需要使用一个SS8050

的三极管做一个电平转换电路，此时提供2个高电平输出；当MCU唤醒后，给出GPIO高电平，经过转换后给出M0M1低电平，使它们进入工作状态。如图2所示。

图2 LoRa模块数据采集硬件电路设计

2.3系统硬件复位电路的设计

在失去电源后，如果MCU处在休眠模式，则GPIO16会给出一个低电平脉冲，脉冲出现后将不再重复输出。如果增加一个外围电路，在电压降低到临界值或者电压升高到临界值时，单独给出低电平脉冲到reset管脚，或许可以解决“假死”后自恢复问题。选择TL7705AC做了一个外部复位电路。

本系统是由太阳能电池板进行供电、铅酸电池进行电能保存，失电后如果光伏恢复，首先电流要大于100mA解决MCU“假死”的供电电耗，如果有富余电能，光伏会缓慢给电池充电，在电池电压升高触发阈值后，会给MCU一个低电平脉冲。复位情况如图3所示。

图3 复位逻辑时序图

MCU接收到复位信号会启动，但是ESP8266启动电流为200~500mA,相对于刚刚充电到临界电压的电源系统来说负担很重，无法维持正常的运行状态，造成关机。

改进措施：增加C1电容，延长TD时间，希望给电源系统更多的充电时间。

随后问题又出现了，MCU在reset低电平的时候也有很大的功耗，在reset低电平情况下无法提供足够的充电电能。此再生水厂使用的进水水量数据报送频率实际上是1天1次，目前把数据报送频率调整为1800秒(30分钟)一次，把每天24X60X2=2880次减少为48次。电源系统可以实现长期稳定工作。

2.4系统边缘计算与控制

边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的幵放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。而云端计算，仍然可以访问边缘计算的历史数据。

简而言之，物联网的特征是“万物互联”，不同于传统工控控制端在PLC,物联网在物端有计算控制和通讯能力，发生在现场的数据采集、数据分析处理和计算就是“边缘计算”。

具体计算内容如下：

(1)根据运行情况给仪表端“ModbusRTU”从站供电；

(2)作为“ModbusRTU”主站采集从站数据；

(3)转换数据格式，编写报文；

(4)启动“LoRa”工作，并发送报文；

(5)关闭外部电源进入休眠模式。

3   系统数据接收与存储

(1)系统数据的接收与存储;

(2)系统数据的查询与显示。

3.1系统数据的接收与存储

安装本次开发的CS架构软件：“某再生水无线数据串口接收程V02B”软件，该软件界面如图4所示。

图4 软件开发

功能有四个方面。

(1)接收：在串口安装了“LoRa”接收装置并转

为串口数据，接收到不同设备发送的JSON报文；

(2)解析：接收到报文会进行JSON格式的解析，得到接收变量和对应值；

(3)辨析：把解析的数据进行分析处理，如果对应的key和value不符合识别规则，则没接收到；

(4)入库：以SQL语言把数据保存到数据库hisxhmsimtable中。数据表如图5所示。

图5 数据表存储

3.2系统数据的查询与显示

基于MySQL数据库的数据展示，在IT行业就有无穷多的案例说明和应用。本次研究是基于CS架构开发的应用。图6为CS客户端方式的水表查询软件界面，用户输入查询的开始、结束时间和变量名称，就可以查询对应的历史数据，转成曲线，另存csv文件等功能。

图6 数据查询界面

4典型代码

4.1数据合成

Modbus的HoldingRegisters是16-bit整型，从站仪表的数据给出的32-bit的长整数，当MCU用F03指令读取从站的保持寄存器HoldingRegisters的数据，合成整数方面查阅技术资料，得到如下结论：

实际仪表数据二数据高位*0xff+低位数据。代码段实现如下：

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

{

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

}

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

水表提供的数据是0.01立方米为基本单元，最终得到的整数应转换后再除以100。

4.2Modbus中浮点数的识别转换

Modbus还能以数据高位和数据低位的合成方式实现浮点数的合成，解析高低数据，我们写了一个方法用于实现这一功能，代码如下：

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;

}

作者简介：

刘  伟(1988-)，男，河北保定人，中级工程师，硕士，现就职于北京城市排水集团有限责任公司，研究方向为工业自动化控制。

参考文献：

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[2]乔芝忠，杨琦.电子远传水表兼容性与互换性问题及其对策[J].给水排水,2017,53(12):110-114.

[3]侣金玲.无线远传大口径水表的数据采集与管理系统[D].石家庄:河北科技大学,2013.

⑷吉健红.浅谈自来水远传水表抄表系统的几次技术改进[J].科技资讯,2012,(23):218.

[5]白天明.无线智能水表的设计与研究[J].科技传播,2010,(19):80,79.

[6]王卫国，韦萌.基于CC1100的无线抄表系统[J].计算机与数字工程,2009,37(01):171-173.

[7]王春.智能无线远传水表设计及应用研究[D].北京:北方工业大学,2009

 摘自《自动化博览》2022年第三期