基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周世年 龔元明

摘? 要：近幾年隨著城市供水管道的日益復(fù)雜化，城市供水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)變得難以管理。為了更好地監(jiān)測(cè)城市供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）的低功耗優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NB-IoT的水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗STM32L4芯片為控制核心，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與NB-IoT數(shù)據(jù)的傳輸，水務(wù)管網(wǎng)的參數(shù)會(huì)被上傳至服務(wù)器并通過瀏覽器顯示。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件電路，開發(fā)了NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)傳輸。測(cè)試表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水務(wù)管網(wǎng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)程控制，具有一定的研究和開發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng);水務(wù)管網(wǎng);STM32L4;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP277? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Water Pipeline Network Parameter Monitoring System

based on Narrow Band Internet of Things

ZHOU Shinian， GONG Yuanming

（College of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

zsnzhoushinian@163.com; gongyuanming@tsinghua.org.cn

Abstract： In recent years， increasing complexity of urban water supply pipeline makes it difficult to monitor and manage urban water supply system. In order to better monitor the operating status of the urban water supply system， this paper proposes to design a water pipeline network parameter monitoring system based on NB-IoT （Narrow Band Internet of Things） with low power consumption. The system uses the low-power STM32L4 （STMicroelectronics） chip as the control core to realize real-time data collection of the water supply pipeline network and NB-IoT data transmission. Parameters of the water pipeline network are uploaded to servers and displayed through browsers. This paper focuses on designing the hardware circuit of field data acquisition equipment and developing the network transmission of NB-IoT. Tests show that the proposed monitoring system realizes remote data transmission and remote control of the water pipe network， and has certain research and development value.

Keywords： narrow band internet of things; water pipeline network; STM32L4; real-time data collection

1? ?引言（Introduction）

對(duì)于城市供水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)不僅費(fèi)時(shí)耗力，而且不能對(duì)水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)異常事件做出及時(shí)有效的反應(yīng)[1-2]。隨著社會(huì)科學(xué)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[3]，智慧水務(wù)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的管道監(jiān)測(cè)在形式和技術(shù)上有了一定的改善。唐松泉[4]等使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)完成了對(duì)智能水表數(shù)據(jù)的采集，但實(shí)際測(cè)試過程中受到了一些阻礙，如位置較深的地方信號(hào)薄弱、功耗過大、接入量小等問題。石家駿、鐘俊[5]等使用ZigBee技術(shù)完成對(duì)抄表系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，但ZigBee模塊價(jià)格貴，傳輸距離短，需要基站多，大面積現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布置成本過高。目前市場(chǎng)上新出現(xiàn)的NB-IoT技術(shù)是第三代合作組織針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[6]，具有深度覆蓋、低功耗、低成本、大連接、基站兼容性好等優(yōu)勢(shì)[7-8]，能夠很好地解決供水監(jiān)測(cè)設(shè)備電池容量有限、接入量小和信號(hào)弱等問題[9-10]。本文基于NB-IoT設(shè)計(jì)的智能水務(wù)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過傳感器技術(shù)與NB-IoT技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)有效的監(jiān)管。

2? ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案（Overall design of the system）

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（包括數(shù)據(jù)采集模塊、NB-IoT通信模塊）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心（服務(wù)器）和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示（客戶端）三個(gè)部分組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的工作過程為：（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)設(shè)定的工作參數(shù)，采集供水管網(wǎng)的壓力/溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù);（2）NB-IoT通信模塊將采集的數(shù)據(jù)連同設(shè)備ID、系統(tǒng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和電池電壓等數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器;（3）服務(wù)器存儲(chǔ)通信模塊發(fā)送的信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給客戶端;（4）客戶端實(shí)時(shí)/歷史顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相關(guān)工作參數(shù)。一旦供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)異常，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面會(huì)發(fā)出告警提示，幫助調(diào)度人員更高效地發(fā)現(xiàn)并排查問題，完成設(shè)備的調(diào)度。

3? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（Hardware design of the system）

水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊（包括壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器）和NB-IoT通信模塊組成。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件的工作流程為：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信模塊傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1? ?數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1? ?主控制芯片選型

在綜合考慮水務(wù)管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集低功耗的需求和主控芯片的外設(shè)、內(nèi)存及成本后，決定選擇STM32L4微控制器作為主控制芯片來完成數(shù)據(jù)的采集以及通信模塊的收發(fā)。該芯片是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的32位微控制器[11-12]，集成多個(gè)不同的串口通信，具有低功耗選擇模式，符合水務(wù)管網(wǎng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。

3.1.2? ?壓力/溫度傳感器信號(hào)處理電路

考慮到水務(wù)管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的供電不便，所以本文選用了一款可恒流供電的MPM281VC型壓力傳感器來測(cè)量水務(wù)管網(wǎng)的壓力。且考慮到水務(wù)管網(wǎng)的數(shù)據(jù)量小、低功耗，故選用了一款適合小信號(hào)測(cè)量的ADS1120芯片。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)精密的溫度傳感器，可用作壓力傳感器的寬溫補(bǔ)償，壓力測(cè)量的精密程度達(dá)到16位，支持高速的SPI通信，供電電壓為2.3—5.5 V，在禁用增益放大器后的占空比模式下運(yùn)行功耗可低至120 ?A。

為配合MPM281VC型壓力傳感器的四線橋式接口，設(shè)計(jì)了與之對(duì)應(yīng)的電阻橋式測(cè)量電路。本文設(shè)計(jì)將AIN0通道作為恒流電壓輸入端口;AIN1通道處飛線引出，用來測(cè)試ADS1120是否正常工作;AIN2通道和AIN3通道分別作為負(fù)信號(hào)端口和正信號(hào)端口。在壓力傳感器將監(jiān)測(cè)到的壓力物理量轉(zhuǎn)換成傳感器輸出的模擬量后，信號(hào)處理電路將模擬量A/D轉(zhuǎn)換，并增益放大，最后通過SPI通信接口與STM32L4進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。壓力/溫度傳感器信號(hào)處理電路如圖3所示。

3.1.3? ?三軸加速度傳感器硬件電路

水務(wù)管網(wǎng)的突然爆裂會(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)急劇上升，此時(shí)水務(wù)管網(wǎng)的壓力數(shù)據(jù)就已經(jīng)失效了，本文通過監(jiān)測(cè)水務(wù)管網(wǎng)的波動(dòng)情況來判斷水務(wù)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。本文選用的MMA8453三軸加速度傳感器，其供電電壓為1.95—3.6 V，精密程度達(dá)到10位，可選擇加速度三量程輸出（±2 g/±4 g/±8 g），在睡眠模式下可低功耗運(yùn)行，符合水務(wù)管網(wǎng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。

MMA8453三軸加速度傳感器通過測(cè)試X、Y、Z軸的加速度數(shù)據(jù)，直接以數(shù)字量形式通過IIC通信接口傳給STM32L4IIC通信規(guī)定IIC總線的SCL和SDA兩條信號(hào)線必須同時(shí)處于高電平，所以需要硬件設(shè)置兩個(gè)上拉電阻拉高SCL、SDA的電平。三軸加速度傳感器信號(hào)采集電路如圖4所示。

3.2? ?通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)

NB-IoT通信模塊的主芯片選用的是高性能、全網(wǎng)通的BC35-G模塊，支持UDP/TCP/MQTT/LWM2M等多種協(xié)議。通信模塊硬件設(shè)計(jì)以BC35-G為核心，外接供電電路、電源監(jiān)測(cè)電路和SIM卡電路三個(gè)部分。

3.2.1? ?供電電路

供電電路使各模塊獲得能工作的電源。該電路有兩種控制方式：硬件控制和軟件控制。硬件控制即通過跳線帽將JP-BATT連接起來，軟件控制需要將STM32L4上的NB-SWITCH引腳拉低即可。NB-IoT通信模塊的供電電路如圖5所示。

電源控制電路主要由一個(gè)PMOS管組成，通過將PMOS管柵極G拉低，使PMOS管導(dǎo)通，給NB-IoT模塊供電。VDD-OUT和VDD2-BAT都是使用3.6 V的電池直接供電。在電源和地之間接C40和C41兩個(gè)電容，濾除雜波的同時(shí)能夠儲(chǔ)存電能，讓NB-IoT模塊在需要大電流時(shí)不會(huì)將電源電壓拉低至工作電平以下。

3.2.2? ?電源監(jiān)測(cè)電路

為更好地排查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備因耗盡電量而停止工作的情況，本文設(shè)計(jì)了帶有雙色燈的電源監(jiān)測(cè)電路來顯示電池供電不足的情況。如圖6所示，選用3.6 V供電的NCP303電壓檢測(cè)芯片。當(dāng)電壓檢測(cè)芯片監(jiān)測(cè)到電源電量過低時(shí)，一方面會(huì)將此數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器;另一方面則由NCP303電壓檢測(cè)芯片的RESET腳控制，通過拉低電平來使DLED1變色，有助于維修人員定位問題的所在。

3.2.3? ?SIM卡電路

NB-IoT模塊需要插入物聯(lián)網(wǎng)卡才可以獲得運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的支持，所以硬件上有SIM-CLK、SIM-DATA、SIM-RST及SIM-VDD等實(shí)現(xiàn)與SIM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口。NB-IoT模塊的SIM卡電路如圖7所示。其中，外部SIM卡通過模塊內(nèi)部的電源供電，僅支持3.0 V供電。

4? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（System software design）

軟件開發(fā)時(shí)，需要先對(duì)主控芯片、傳感器模塊和NB-IoT模塊等進(jìn)行初始化。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由主控制器控制，通過各傳感器模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，并通過NB-IoT通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，由網(wǎng)頁(yè)端顯示。軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4.1? ?通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本文水務(wù)管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)測(cè)平臺(tái)的命令下發(fā)控制。

為保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互的可靠性和穩(wěn)定性，采用了HTTP協(xié)議[13-14]。HTTP協(xié)議是一種運(yùn)行在TCP之上的協(xié)議，廣泛應(yīng)用于Web端。協(xié)議的通信過程為：協(xié)議對(duì)話由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)起請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)其發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答。HTTP請(qǐng)求報(bào)文格式如表1所示。

其中通道類型是上傳的傳感器參數(shù)類型，0表示無效，1表示壓力（單位Mpa），2表示溫度（單位℃），3表示振動(dòng)（單位mm/s2）。

HTTP的應(yīng)答報(bào)文格式相應(yīng)如表2所示。

4.2? ?數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集水務(wù)管網(wǎng)的壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)。在主控芯片、壓力/溫度采集模塊和加速度采集模塊初始化完成以后，主控芯片每隔1 s通過SPI通信和IIC通信發(fā)出一次數(shù)據(jù)采集命令，傳感器會(huì)根據(jù)主控芯片的內(nèi)部定時(shí)器TIM2來完成數(shù)據(jù)上傳任務(wù)。

壓力/溫度采集芯片的SPI傳輸：首先配置SPI為Motorola模式，8 bit的數(shù)據(jù)大小，MSB傳輸，時(shí)鐘極性為L(zhǎng)ow，時(shí)鐘相位為1 Edge。加速度采集芯片的I2C傳輸：首先配置I2C為標(biāo)準(zhǔn)模式、100 kHz的傳輸速率，從地址的初始長(zhǎng)度為7 bit。

定時(shí)器TIM2的時(shí)鐘由APB1提供，本文設(shè)置的APB1提供的時(shí)鐘為20 MHz，預(yù)分頻為2，000，計(jì)數(shù)周期為10，000，得到1 s的定時(shí)時(shí)間。公式如下：

定時(shí)器時(shí)間=1/（時(shí)鐘頻率/預(yù)分頻/計(jì)數(shù)周期）? ? ? （1）

然后調(diào)用HAL_TIM_Base_Start_IT（&htim2）函數(shù)觸發(fā)TIM2中斷定時(shí)器，再調(diào)用周期函數(shù)完成數(shù)據(jù)的上傳。

4.3? ?NB-IoT通信模塊軟件設(shè)計(jì)

NB-IoT通信模塊與主控芯片通過串口相連，主控芯片采用AT指令集對(duì)BC35-G模組進(jìn)行命令控制。主控芯片和NB-IoT通信模塊的USART接口初始化后，主控芯片通過AT指令獲取模塊當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度、通信模塊ID和SIM唯一識(shí)別碼等信息[15]。當(dāng)NB-IoT模塊成功入網(wǎng)后，與服務(wù)器建立TCP連接，通過Socket上傳數(shù)據(jù)包。在NB-IoT入網(wǎng)通信的整個(gè)過程中，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度、模塊入網(wǎng)和數(shù)據(jù)上傳中某個(gè)指令出現(xiàn)問題，會(huì)將此指令重新執(zhí)行，直到三次還未成功就會(huì)給出錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)。在數(shù)據(jù)成功發(fā)送到服務(wù)器后，如果NB-IoT模塊長(zhǎng)時(shí)間沒有收到數(shù)據(jù)，就會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式，以節(jié)省電量。NB-IoT的入網(wǎng)通信流程如圖9所示。

NB-IoT模塊入網(wǎng)通信涉及的主要AT指令及其描述如表3所示。

4.4? ?服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)端軟件主要完成來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)解析和存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)頁(yè)端顯示數(shù)據(jù)。具體流程是：開啟MySQL服務(wù)器監(jiān)聽的所有端口，收到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過相應(yīng)端口發(fā)來的數(shù)據(jù)包，按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包解析出來存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示。

在PC或者手機(jī)的網(wǎng)頁(yè)端填寫賬號(hào)和密碼進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面，如圖10所示。主界面集成了地圖顯示、數(shù)據(jù)查詢和設(shè)備管理等功能。用戶可以通過地圖顯示功能查看自己管理的設(shè)備的地理位置和當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)信息，其中設(shè)備的地址是設(shè)備安裝時(shí)記錄下來的。通過數(shù)據(jù)查詢功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，通過設(shè)備號(hào)、查詢的起始時(shí)間、查詢的結(jié)束時(shí)間三個(gè)查詢條件，可實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的變化曲線視圖，通過變化曲線可以很好地預(yù)測(cè)設(shè)備未來的運(yùn)行狀態(tài)。通過設(shè)備管理功能對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行添加、編輯和刪除分組，方便用戶靈活地操作設(shè)備信息。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套從底層硬件到上層平臺(tái)端的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，很好地解決了城市供水系統(tǒng)難以管理的問題。通過網(wǎng)頁(yè)端訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了水務(wù)管網(wǎng)壓力、溫度和振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并通過變化曲線的形式，可以幫助調(diào)度人員快速縮小故障范圍，大大降低了檢修成本，提高了城市供水系統(tǒng)的效率。

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[15] 于瀅，謝濤，矯魯平，等.基于NB-IoT的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（01）：176-180.

作者簡(jiǎn)介：

周世年（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：汽車電子控制技術(shù)，嵌入式單片機(jī)開發(fā)技術(shù).

龔元明（1964-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：汽車電子控制技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置.