辛?xí)曰ⅲ踅ɑ?，李福賀，宋曉博，胡泉偉

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司薊州供電分公司，天津 301900；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司，天津 300000）

0 引言

當(dāng)前大量工控設(shè)備均通過嵌入式打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，致使數(shù)據(jù)管理難度加大，通常需要大量人力現(xiàn)場(chǎng)抄錄數(shù)據(jù)結(jié)果，人工進(jìn)行縱向和橫向數(shù)據(jù)比對(duì)，不能滿足當(dāng)前工業(yè)智能化的建設(shè)要求［1］。但是，市場(chǎng)上各類工控設(shè)備廠家型號(hào)眾多，技術(shù)實(shí)力相差懸殊，要求所有廠家進(jìn)行統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)和設(shè)備改造難度較大，急需一種統(tǒng)一的工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

考慮到當(dāng)前大量工控設(shè)備均通過嵌入式打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，且嵌入式打印機(jī)有規(guī)范的控制指令集和通信接口，提出基于嵌入式打印機(jī)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)虛擬打印技術(shù)，研發(fā)適用于工控設(shè)備的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)改造裝置。通過物聯(lián)網(wǎng)改造裝置，可實(shí)時(shí)獲取工控設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備的數(shù)據(jù)感知。

物聯(lián)網(wǎng)改造裝置應(yīng)遵守嵌入式打印機(jī)的通信接口和協(xié)議［2-3］。安裝至工控設(shè)備內(nèi)后，工控設(shè)備將物聯(lián)網(wǎng)改造裝置識(shí)別為嵌入式打印機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)改造裝置自動(dòng)采集工控設(shè)備內(nèi)本應(yīng)打印的數(shù)據(jù)結(jié)果，按照打印機(jī)控制指令集進(jìn)行解碼編譯、邊緣計(jì)算，并利用4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)（云系統(tǒng)）。

1 裝置工作原理

基于STM32 的物聯(lián)網(wǎng)改造裝置，主要包括數(shù)據(jù)采集接口、STM32 微處理器和發(fā)射模塊3 部分。通過模擬嵌入式打印機(jī)的功能和接口，與工控設(shè)備進(jìn)行連接和通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、虛擬打印、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)發(fā)送4 項(xiàng)功能，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集功能

該裝置模擬嵌入式打印機(jī)與工控設(shè)備進(jìn)行連接，采集工控設(shè)備本應(yīng)打印輸出的數(shù)據(jù)。為擴(kuò)大適用性，采集接口應(yīng)能夠兼容多種嵌入式打印機(jī)，包括RS485 串行接口、RS232 串行接口［4］，通過電平轉(zhuǎn)換后與STM32 微處理器連接，數(shù)據(jù)采集后傳輸至STM32 的接收緩沖區(qū)中。

1.2 虛擬打印功能

虛擬打印是將接收數(shù)據(jù)按照嵌入式打印機(jī)指令集的規(guī)則進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)解析。當(dāng)檢測(cè)到接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)寫入時(shí)，自動(dòng)開始指令解析。指令解析出的字符為控制字符或數(shù)據(jù)字符兩種，控制字符包括切紙、走紙、打印設(shè)置指令、字符格式設(shè)置指令、打印格式設(shè)置指令、電機(jī)控制指令等。首先判斷解析出的字符是否為控制字符，如為控制字符則忽略；如為數(shù)據(jù)字符，則暫存至緩沖區(qū)內(nèi)，待接收結(jié)束后，進(jìn)行字符串拼接，進(jìn)而獲得完整的所需數(shù)據(jù)信息［5-6］。

物聯(lián)網(wǎng)模塊的兼容性與虛擬打印功能的指令集設(shè)計(jì)密不可分。各個(gè)微型打印機(jī)廠商提供的指令集雖然不盡相同，但大都遵循ESC／POS 指令集標(biāo)準(zhǔn)［7］，為文中提出制作統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)改造模塊奠定了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3 邊緣計(jì)算功能

邊緣計(jì)算是為滿足不同工控設(shè)備特殊化的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算需求。首先，對(duì)工控設(shè)備輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ群彤惓７治?；其次，針?duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊髮?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、加密操作；最后，針對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求，對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信息挖掘、分析整合、就地計(jì)算等，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬，減輕海量數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)后的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)保護(hù)隱私數(shù)據(jù)，降低終端敏感數(shù)據(jù)隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)［8-10］。

1.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用4G 公網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)，通過STM32 利用AT 指令控制4G 無線終端設(shè)備（Data Transfer Unit，DTU）模塊，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。按照物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的TCP／IP 或HTTP 協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口形式對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，最終實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳和統(tǒng)一管理［11］。

2 裝置的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)改造裝置的性能需求、體積、能耗等指標(biāo)，以STM32 微處理器為核心，設(shè)計(jì)工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)改造裝置，如圖2 所示。主要包括STM32微處理器（芯片為STM32F103C8T6）及其外圍電路、RS232 電平轉(zhuǎn)換（芯片為SP3232）電路、RS485 電平轉(zhuǎn)換（芯片為SP3485）電路、4G DTU 發(fā)送電路（芯片為Air720H）和OLED 顯示屏（芯片為SSD1306）。該裝置安裝于工控設(shè)備內(nèi)部，并聯(lián)在嵌入式打印機(jī)的接口上［12］。

STM32F103C8T6 的供電電壓為2.0～3.6 V，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，I／O 端口可以配置成輸出（推挽或開漏）、輸入或復(fù)用的外設(shè)功能端口，自帶3 個(gè)USART 端口、2 個(gè)IIC 端口，完全滿足該改造裝置的通信接口及計(jì)算能力需求。

STM32 的外圍電路包括穩(wěn)壓電源、按鍵復(fù)位、石英晶振、CH340G 下載回路4 個(gè)部分，穩(wěn)壓芯片為ASM1117，該芯片輸出電壓為3.3 V，電流為1 A，滿足本裝置的供電需求。

實(shí)際應(yīng)用中，本裝置的RS232、RS485 兩個(gè)通信串口不會(huì)同時(shí)使用，因此在設(shè)計(jì)上，RS232、RS485 電平轉(zhuǎn)換電路共用一個(gè)STM32 的串口，利用二極管M7 串聯(lián)在電平轉(zhuǎn)換芯片的Data IN 引腳上，從而避免兩個(gè)串口之間互相干擾，并在RS485 串口的輸出上并聯(lián)47 kΩ 的耦合電阻。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)

4G DTU 發(fā)送電路直接采用Air 720H 成品化芯片，該芯片安裝SIM 卡后可通過長(zhǎng)期演化時(shí)分雙工（Long Term Evolution Time Division Duplexing，LTETDD）、長(zhǎng)期演化頻分雙工（Long Term Evolution Frequency Division Duplexing，LTE-FDD）、寬帶碼分多址通信技術(shù)（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）、無線分組交換技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）等公網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信，通信速率最大可達(dá)到50 Mbit／s，滿足一般工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通信需求，該芯片自帶TTL 串口，可直接與STM32 的串口引腳連接。

OLED 顯示屏為液晶屏，由SSD1306 芯片驅(qū)動(dòng)，與STM32 采用IIC 協(xié)議通信。

2.2 程序設(shè)計(jì)

裝置獨(dú)立于工控設(shè)備之外運(yùn)行，通過向STM32寫入微處理器程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，進(jìn)而模擬嵌入式打印機(jī)的接口特性，通過RS232 或RS485 串口與工控設(shè)備通信。

當(dāng)工控設(shè)備需要打印數(shù)據(jù)時(shí)，裝置微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）即被喚醒，獲取工控設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行虛擬打印，截取其中有用的信息，進(jìn)行邊緣計(jì)算后，通過DTU 發(fā)射單元，將數(shù)據(jù)向外傳輸，實(shí)現(xiàn)感知工控設(shè)備的功能。

STM32 微處理器的程序主要采用Keil5 軟件編寫，主要程序包括初始化部分，中斷函數(shù)的定義，虛擬打印子程序、邊緣計(jì)算子程序，以及信息發(fā)送與顯示子程序等，如圖3 所示。

初始化部分主要是初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、IIC 通信、GPIO 輸出模式、串口通信波特率、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)、停止位、校驗(yàn)位等參數(shù)，同時(shí)定義按鍵重啟等部分。

中斷函數(shù)部分定義了USART2 串口的中斷，及時(shí)接收由工控設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并按字節(jié)存儲(chǔ)。

虛擬打印子程序通過逐字節(jié)解析工控設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，首先通過ASCII 值判斷是否為控制指令，如為控制指令則丟棄，否則將其存入解析后字符串中。

邊緣計(jì)算子程序主動(dòng)分析解析后的字符串信息，并和工控設(shè)備的標(biāo)簽信息進(jìn)行拼接。

信息發(fā)送子程序是通過AT 指令調(diào)用Air720H芯片將邊緣計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行向指定地址發(fā)送。

顯示子程序是通過IIC 端口調(diào)用OLED 顯示屏將虛擬打印的結(jié)果顯示在顯示屏上，便于人員核對(duì)輸出結(jié)果。

一般工控設(shè)備打印輸出的數(shù)據(jù)都不可用于物聯(lián)網(wǎng)信息標(biāo)簽，即便實(shí)現(xiàn)了感知層功能，也不能被物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立識(shí)別和尋址，不方便進(jìn)行系統(tǒng)管理。因此，該方法仍要通過掃碼、RFID 等技術(shù)，或者通過在STM32 內(nèi)固化數(shù)據(jù)標(biāo)簽等方式，給被改造工控設(shè)備建立唯一數(shù)據(jù)標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備信息上傳的同時(shí)，便于設(shè)備的智能化識(shí)別和管理。

圖3 程序流程

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用

將研制的工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)改造裝置在避雷器阻性電流測(cè)試儀上進(jìn)行試用。避雷器阻性電流測(cè)試儀為10 kV 及以上的避雷器帶電測(cè)量阻性電流的一個(gè)試驗(yàn)儀器，其對(duì)避雷器測(cè)量結(jié)束后，通過嵌入式打印機(jī)打印阻性電流、全電流、奇次諧波電流、阻性功率等數(shù)據(jù)信息。

將工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)改造裝置并聯(lián)在避雷器阻性電流測(cè)試儀的嵌入式打印機(jī)接口上，獲取該測(cè)試儀打印的所有數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器阻性電流檢測(cè)儀的物聯(lián)網(wǎng)改造。

因電氣試驗(yàn)的輸出數(shù)據(jù)需要與試驗(yàn)儀器、被試設(shè)備進(jìn)行一一匹配［5］，因此添加了無線掃碼槍，通過掃碼方式獲取試驗(yàn)儀器、被試設(shè)備信息，并作為數(shù)據(jù)標(biāo)簽，添加到MCU 輸出數(shù)據(jù)上，如圖4 所示。

為了測(cè)試本物聯(lián)網(wǎng)改造裝置的穩(wěn)定性，利用改造后的避雷器阻性電流檢測(cè)儀對(duì)某變電站10 kV、35 kV、110 kV 這3 個(gè)電壓等級(jí)的所有避雷器反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得不同數(shù)據(jù)對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)布置物聯(lián)網(wǎng)終端PC 機(jī)，將裝置向物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)比對(duì)。

20 余天現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，終端PC 機(jī)接收數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)完全一致，裝置編譯、傳輸正確率100%。2019 年春檢期間在某供電公司的布置該裝置，4 個(gè)月的應(yīng)用結(jié)果表明本物聯(lián)網(wǎng)改造裝置各項(xiàng)功能穩(wěn)定，性價(jià)比高，滿足工控設(shè)備信息感知的需求。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前工控行業(yè)中大量?jī)x器設(shè)備均通過嵌入式打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)，基于STM32 微處理器研制的工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)改造裝置，能夠以低成本的方式實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)改造。對(duì)某避雷器阻性電流測(cè)試儀進(jìn)行改裝后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，裝置能夠與試驗(yàn)儀器緊密配合，完整采集解析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過4G 公網(wǎng)向外發(fā)送。該裝置工作可靠、成本低，可為當(dāng)前大量工控設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)提供了一種解決方案。