基于OneNET平臺的小型泵站數字化建設研究與應用

陳 浩，陳 興，劉 芳，馬 朋

（1.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州225127；2.江蘇省水文水資源勘測局揚州分局，江蘇 揚州225009）

隨著世界經濟快速平穩發展，水資源緊缺問題一直是全球爭議不斷的熱點，于是中國相繼出臺了節約用水的政策，改善工業用水，規范國民用水，保護淡水資源，興建水利泵站等措施，意在解決水資源瀕臨枯竭問題［1］。中國小型泵站建設起步較晚，小型泵站設施不夠完善，數字化建設的小型泵站還在研發中，并沒有大規模推廣。數字化建設旨在統一管理小型泵站，一般采用分層式集中管理，即在辦公室設有中央管理中心，采用電腦、4G網絡和傳感器相聯接，對灌區的各個小型泵站、灌排渠道等進行集中監控，以求達到對灌區綜合管理的目的［2］。數字化建設有助于小型泵站的智能一體化發展，它能及時調度小型泵站的灌溉，靈活地應對干旱天氣所造成的農作物大面積損失的情況，極大提高了泵站一體化水平，小型泵站所處的位置比較分散，便于實現數字化統一管理。

數字化建設主要依靠信息技術的發展，數字信息化結構主要包括現場控制單元層、網絡傳輸層、云平臺層?，F場控制單元層是各類傳感器自動測量構成，通過傳感器技術對農田灌溉中產生影響的因素如泵站機房的溫度、泵站電機的電壓與電流、渠道液位與管道壓力等數據信息進行采集，實現數字化灌溉。網絡傳輸層是將現場控制單元層中的傳感器采集的數據通過4G網絡與TCP協議相結合的4G模塊向互聯網傳輸。云平臺層是將采集到的數據在OneNET云平臺上直觀顯示，在OneNET云平臺中用戶可以了解泵站運行的各類參數，并做出正確的判斷，實現對泵站電機遠程控制。

1 數字化小型泵站結構

1.1 總體結構

數字化小型泵站總體結構主要包括現場控制單元層、網絡傳輸層、云平臺層［3］?；贠neNET的數字化小型泵站結構如圖1所示。

圖1 數字化小型泵站結構

1.2 現場控制單元層

現場控制單元硬件結構主要圍繞3大類電路，主控板電路主要包括單片機STM32F103ZET6芯片及外圍電路（復位電路、晶振電路、仿真器下載電路、供電電路、溫度采集模塊電路、繼電器控制電路）［4］；通訊電路主要由4G模塊供電電路構成；泵站機組控制電路主要包含機組電氣控制電路（圖2）。

1.3 網絡傳輸層

該結構使用的是USR-LTE-7S4模塊來構成通訊部分，4G模塊有23個引腳，其中主要有6號引腳UTXD1（串口發送腳）、7號引腳URXD1（串口接收腳）、12號引腳GND、13號引腳VCC，其余的分別為USIM卡接口、網絡狀態指示接口、模塊開關機接口等［5］。

圖2 現場控制單元硬件結構框

傳輸協議選用TCP網絡透傳協議，應用層向TCP傳輸層發送用于互聯網間傳輸的、用8位字節表示的數據流［6］，然后TCP把數據流分區成適當長度的報文段，最后TCP把結果包傳輸給IP層，由其來通過4G網絡將數據包傳送給接收端實體的TCP層。TCP為了保證不發生丟包現象，就給每個數據包一個序列號，同時序列號也保證了傳送層到接收端實體的數據包是按順序接收。

1.4 云平臺層

本結構主要采用OneNET云平臺，OneNET云平臺是中國移動推出的免費大眾化硬件終端的平臺。OneNET云平臺自身運營體系十分完善，安全可靠，為開發人員提供設備端SDK，還有大量數據流存儲空間，而且對通信傳輸通道會有密碼保護，這樣安全的保護措施，完全符合數字化建設的開發研究。

圖3 OneNET平臺的基本框架

OneNET平臺在應用開發中，充當著橋梁的作用。其定位于PaaS服務，位于IaaS層與SaaS層之間。如圖3是OneNET平臺的基本框架。從圖3可以看出，OneNET平臺應用范圍很廣，為能源、工業、農業、車載、環境等各行業提供技術支持。在OneNET平臺上，用戶可以注冊惟一的賬號信息，每個用戶擁有最大資源集合，可以創建多個產品，產品下包括設備、數據流、數據觸發器、設備權限等許多應用，產品又分為私有隱私產品和公開隱私產品2種。各個產品可以創建多個設備、觸發器、應用和APIKey，每個設備又能創建多個數據流，用來存儲數據，單個數據流用來存放同一屬性的數據，如溫度、電壓、電流等。APIKey是調用API的密匙，當用戶訪問對應產品時，必須通過相對應的APIKey才能訪問［7］。

2 軟件的考慮

OneNET云平臺數據解析腳本主要是Lua腳本的編輯，編輯Lua腳本采用了Sublime Text 3編輯軟件，Sublime Text 3是一個代碼腳本生成編輯器，也是HTML和文本編輯器。Sublime Text是由程序員Jon Skinner于2008年1月開發出來，它最初被設計為一個具有豐富擴展功能的Vim，Sublime Text 3是Sublime Text升級更新的第三代產品［8］。

Lua是廣泛應用的腳本語言，Lua腳本的設計初衷就是為了嵌入在應用程序中，它是一種輕巧的腳本語言，它的官方版本只有一個精簡的語言編輯器和最基本的庫［9］。使得Lua體積較小、啟動速度較快。它是用C語言編寫并且以源代碼形式開放，編譯后僅100 K大小，很方便嵌入到應用程序中。Lua腳本很容易被C/C++程序調用，也可以反過來調用C/C++函數。圖4為Lua腳本在OneNET云平臺中解析數據流程。

圖4 Lua腳本在OneNET云平臺中解析數據流程

單片機STM32F103ZET6上傳字符串數據是將字符串數據拆開一個字符接著一個字符上傳，直到讀取到空格符，一個字符串數據才發送完畢。在單片機發送字符串數據同時，Lua腳本進行數據解析，待單片機將字符串數據上傳完畢，在Lua腳本中已經組合了原來的字符串數據，然后將數據保存在ta?ble中，將table序列轉化成JSON格式，最后生成一條數據流，在OneNET云平臺上顯示出來。圖5為部分Lua腳本解析數據程序。

圖5 部分Lua腳本解析數據程序

經過Lua腳本數據解析后，用戶可以在數據流展示模塊上看到數據情況，該系統主要是溫度數據、泵站機組電壓與電流數據、渠道液位數據及管道液壓數據。圖6為溫度數據在OneNET平臺上顯示。圖7為OneNET云平臺控制繼電器的流程。OneNET云平臺在TCP協議模式下可以進行字符數據下發，4G模塊將OneNET云平臺下發的字符數據傳輸到單片機的串口上。單片機讀取到數據后進入串口中斷程序，接收到‘1’時，GPIO引腳輸出低電平，繼電器控制電路導通，1號繼電器產生動作，泵站機組控制電路導通，電機轉動。當OneNET云平臺下發字符數據‘0’時，單片機接收到數據后，GPIO引腳同樣輸出低電平，2號繼電器產生動作，泵站機組控制電路斷路，電機停止轉動。當OneNET云平臺下發字符數據‘2’時，單片機接收到數據后，GPIO引腳再次輸出低電平，2號繼電器產生動作，泵站機組控制電路導通，電機重新轉動。

圖6 溫度數據在OneNET平臺上顯示

3 數字化小型泵站實現

管理中心客戶端為OneNET云平臺，用戶可以登錄OneNET云平臺實時查看泵站運行狀況，圖8為用戶登錄OneNET云平臺的操作界面。

圖7 OneNET云平臺控制繼電器的流程

圖8 用戶登錄OneNET云平臺的操作界面

用戶登錄OneNET云平臺成功后，可以看到產品概況、產品ID、TCP透傳方式以及設備在線等信息界面，圖9為OneNET云平臺產品操作界面。

圖9 OneNET云平臺產品操作界面

在產品操作界面點擊設備列表，就可以看到用戶創建的泵房溫度、泵站電機電壓、泵站電機電流、渠道液位以及管道壓力等參數。圖10為小型泵站的參數設備。此外還可以看到泵站所在的位置，如圖11所示。

圖10 小型泵站的參數設備

圖11 小型泵站泵站所在的位置信息

以查看泵房溫度數據為例，用戶進入設備界面后，點擊查看數據流信息，數據流自動展示在操作界面上（圖12）。

圖12 泵房溫度顯示界面

用戶通過OneNET云平臺下發控制指令，單片機接收到指令后，作出相應的動作控制泵站電機的啟停。用戶通過OneNET云平臺下發指令操作界面如圖13所示。

4 小結

數字化建設不再拘泥于傳統的小型泵站建設，將物聯網技術應用到小型泵站建設中，提高了泵站灌溉效率，節約用水，減少了農業污染。數字化建設可以大規模調度本地區小型泵站，將分散的小型泵站統一管理，遠程監控本地區小型泵站運行狀況，減少管理成本，極大促進了現代農業向智能化、一體化、高效率化發展。

圖13 OneNET云平臺下發指令操作界面