基于OneNET平台的小型泵站数字化建设研究与应用

2021-05-09陈浩，陈兴，刘芳，马朋

湖北农业科学 2021年7期

陈浩，陈兴，刘芳，马朋

（1.扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州225127；2.江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏扬州225009）

随着世界经济快速平稳发展，水资源紧缺问题一直是全球争议不断的热点，于是中国相继出台了节约用水的政策，改善工业用水，规范国民用水，保护淡水资源，兴建水利泵站等措施，意在解决水资源濒临枯竭问题［1］。中国小型泵站建设起步较晚，小型泵站设施不够完善，数字化建设的小型泵站还在研发中，并没有大规模推广。数字化建设旨在统一管理小型泵站，一般采用分层式集中管理，即在办公室设有中央管理中心，采用电脑、4G网络和传感器相联接，对灌区的各个小型泵站、灌排渠道等进行集中监控，以求达到对灌区综合管理的目的［2］。数字化建设有助于小型泵站的智能一体化发展，它能及时调度小型泵站的灌溉，灵活地应对干旱天气所造成的农作物大面积损失的情况，极大提高了泵站一体化水平，小型泵站所处的位置比较分散，便于实现数字化统一管理。

数字化建设主要依靠信息技术的发展，数字信息化结构主要包括现场控制单元层、网络传输层、云平台层。现场控制单元层是各类传感器自动测量构成，通过传感器技术对农田灌溉中产生影响的因素如泵站机房的温度、泵站电机的电压与电流、渠道液位与管道压力等数据信息进行采集，实现数字化灌溉。网络传输层是将现场控制单元层中的传感器采集的数据通过4G网络与TCP协议相结合的4G模块向互联网传输。云平台层是将采集到的数据在OneNET云平台上直观显示，在OneNET云平台中用户可以了解泵站运行的各类参数，并做出正确的判断，实现对泵站电机远程控制。

1 数字化小型泵站结构

1.1 总体结构

数字化小型泵站总体结构主要包括现场控制单元层、网络传输层、云平台层［3］。基于OneNET的数字化小型泵站结构如图1所示。

图1 数字化小型泵站结构

1.2 现场控制单元层

现场控制单元硬件结构主要围绕3大类电路，主控板电路主要包括单片机STM32F103ZET6芯片及外围电路（复位电路、晶振电路、仿真器下载电路、供电电路、温度采集模块电路、继电器控制电路）［4］；通讯电路主要由4G模块供电电路构成；泵站机组控制电路主要包含机组电气控制电路（图2）。

1.3 网络传输层

该结构使用的是USR-LTE-7S4模块来构成通讯部分，4G模块有23个引脚，其中主要有6号引脚UTXD1（串口发送脚）、7号引脚URXD1（串口接收脚）、12号引脚GND、13号引脚VCC，其余的分别为USIM卡接口、网络状态指示接口、模块开关机接口等［5］。

图2 现场控制单元硬件结构框

传输协议选用TCP网络透传协议，应用层向TCP传输层发送用于互联网间传输的、用8位字节表示的数据流［6］，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段，最后TCP把结果包传输给IP层，由其来通过4G网络将数据包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包现象，就给每个数据包一个序列号，同时序列号也保证了传送层到接收端实体的数据包是按顺序接收。

1.4 云平台层

本结构主要采用OneNET云平台，OneNET云平台是中国移动推出的免费大众化硬件终端的平台。OneNET云平台自身运营体系十分完善，安全可靠，为开发人员提供设备端SDK，还有大量数据流存储空间，而且对通信传输通道会有密码保护，这样安全的保护措施，完全符合数字化建设的开发研究。

图3 OneNET平台的基本框架

OneNET平台在应用开发中，充当着桥梁的作用。其定位于PaaS服务，位于IaaS层与SaaS层之间。如图3是OneNET平台的基本框架。从图3可以看出，OneNET平台应用范围很广，为能源、工业、农业、车载、环境等各行业提供技术支持。在OneNET平台上，用户可以注册惟一的账号信息，每个用户拥有最大资源集合，可以创建多个产品，产品下包括设备、数据流、数据触发器、设备权限等许多应用，产品又分为私有隐私产品和公开隐私产品2种。各个产品可以创建多个设备、触发器、应用和APIKey，每个设备又能创建多个数据流，用来存储数据，单个数据流用来存放同一属性的数据，如温度、电压、电流等。APIKey是调用API的密匙，当用户访问对应产品时，必须通过相对应的APIKey才能访问［7］。

2 软件的考虑

OneNET云平台数据解析脚本主要是Lua脚本的编辑，编辑Lua脚本采用了Sublime Text 3编辑软件，Sublime Text 3是一个代码脚本生成编辑器，也是HTML和文本编辑器。Sublime Text是由程序员Jon Skinner于2008年1月开发出来，它最初被设计为一个具有丰富扩展功能的Vim，Sublime Text 3是Sublime Text升级更新的第三代产品［8］。

Lua是广泛应用的脚本语言，Lua脚本的设计初衷就是为了嵌入在应用程序中，它是一种轻巧的脚本语言，它的官方版本只有一个精简的语言编辑器和最基本的库［9］。使得Lua体积较小、启动速度较快。它是用C语言编写并且以源代码形式开放，编译后仅100 K大小，很方便嵌入到应用程序中。Lua脚本很容易被C/C++程序调用，也可以反过来调用C/C++函数。图4为Lua脚本在OneNET云平台中解析数据流程。

图4 Lua脚本在OneNET云平台中解析数据流程

单片机STM32F103ZET6上传字符串数据是将字符串数据拆开一个字符接着一个字符上传，直到读取到空格符，一个字符串数据才发送完毕。在单片机发送字符串数据同时，Lua脚本进行数据解析，待单片机将字符串数据上传完毕，在Lua脚本中已经组合了原来的字符串数据，然后将数据保存在ta⁃ble中，将table序列转化成JSON格式，最后生成一条数据流，在OneNET云平台上显示出来。图5为部分Lua脚本解析数据程序。

图5 部分Lua脚本解析数据程序

经过Lua脚本数据解析后，用户可以在数据流展示模块上看到数据情况，该系统主要是温度数据、泵站机组电压与电流数据、渠道液位数据及管道液压数据。图6为温度数据在OneNET平台上显示。图7为OneNET云平台控制继电器的流程。OneNET云平台在TCP协议模式下可以进行字符数据下发，4G模块将OneNET云平台下发的字符数据传输到单片机的串口上。单片机读取到数据后进入串口中断程序，接收到‘1’时，GPIO引脚输出低电平，继电器控制电路导通，1号继电器产生动作，泵站机组控制电路导通，电机转动。当OneNET云平台下发字符数据‘0’时，单片机接收到数据后，GPIO引脚同样输出低电平，2号继电器产生动作，泵站机组控制电路断路，电机停止转动。当OneNET云平台下发字符数据‘2’时，单片机接收到数据后，GPIO引脚再次输出低电平，2号继电器产生动作，泵站机组控制电路导通，电机重新转动。