基于物聯(lián)網(wǎng)的供水管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

夏青 石明鈞 金文婷 陳亞琦

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加速了城市現(xiàn)代化的進程。而城市供水智能化監(jiān)測系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，因此如何把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)上成為一個新的研究方向?；谶@個研究方向文章提出以窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)為傳輸媒介，結(jié)合性價比較高的ARM主控芯片，來控制傳感器采集信息，并上傳數(shù)據(jù)庫進行保存，最后從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)到Android客戶端，并通過軟件進行管理與展示。測試表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成對供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的遠程接收、控制、預(yù)測等功能。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng);窄帶物聯(lián)網(wǎng);ARM;傳感器;數(shù)據(jù)庫;客戶端

中圖分類號：TP399? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0099-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

城市供水管網(wǎng)[1]監(jiān)測的發(fā)展分為兩個階段。第一個發(fā)展階段就是傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，在這一階段人工成本高，工作效率低，不能及時地對供水管網(wǎng)突發(fā)事件做出反應(yīng)。

隨著通信技術(shù)與傳感器的結(jié)合，遠程監(jiān)測得到了飛速的發(fā)展，加速了數(shù)據(jù)的采集，降低了人工成本。城市供水監(jiān)測也隨之來到了第二個階段。目前對供水管網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)采集一般采用GPRS網(wǎng)絡(luò)或者是ZigBee技術(shù)。而GPRS網(wǎng)絡(luò)存在可接入設(shè)備量少，地下信號傳播能力差，功耗較高等缺點。張一凡，崔建國[2]等使用ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)城市管網(wǎng)漏損控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計。然而由于ZigBee有效傳輸距離短，因此需要架設(shè)更多的基站，當(dāng)城市大面積使用時往往成本過高。通過綜合考慮決定采用信號穿透能力強、覆蓋區(qū)域更加廣大，低功耗運行、可連接設(shè)備多的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IOT能夠較好地解決了監(jiān)測設(shè)備的信號弱，網(wǎng)絡(luò)端口接入量少，電池容量有限等問題。

2 系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系

本文采用物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)體系來設(shè)計供水管網(wǎng)[3]監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 感知層

感知層設(shè)備由三部分構(gòu)成。

（1） 傳感器是屬于感知層的信息采集設(shè)備，負(fù)責(zé)把環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成MCU可以識別的數(shù)據(jù)。供水監(jiān)測系統(tǒng)的感知層[4]是流量傳感器。通過監(jiān)測系統(tǒng)中的流量計進行數(shù)據(jù)采集，這樣就可以實時地掌握水務(wù)系統(tǒng)中各節(jié)點的運行狀態(tài)。管理人員通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，就可以知曉供水系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)。

（2） 主控芯片它是整個感知層的大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)感知層各個組件間的數(shù)據(jù)交互與處理。常用的芯片一般基于MIPS、ARM、RISC-V等架構(gòu)設(shè)計，本文所有的主控芯片就是基于ARM的STM32F103芯片。

（3） 通信模組是MCU對外數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)備，也是物與物相連的重要組件。通信模塊的主要功能是實現(xiàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，讓感知層中斷與云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。常見的通信模組種類有很多，如3G、4G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等，本文的通信模組用的就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)體系[5]的中間層。它可分為三種傳輸方式，分別是局域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)。

（1） 有線網(wǎng)絡(luò)可以通過雙絞線，光纖等傳輸介質(zhì)與國家通信網(wǎng)絡(luò)相互連接，從而進行數(shù)據(jù)的交互。

（2） 無線網(wǎng)絡(luò)的種類有很多，現(xiàn)在常見的主要是4G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)、NB-IOT等。在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中應(yīng)用較多的網(wǎng)絡(luò)是NB-IOT、增強機械類通信。NB-IOT適用于低速率上報類場景中，如環(huán)境監(jiān)測、市政物聯(lián)（路燈，井蓋等）、智慧停車等。增強機械類通信適用于中低速、實時控制類應(yīng)用場景中，如移動支付，物流追蹤等。

（3） 局域網(wǎng)絡(luò)是我們比較常用的，比如說Wi-Fi，藍牙。它們是由我們自己搭建的短距離通信網(wǎng)絡(luò)。其本身不能夠直接和因特網(wǎng)相連接進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，需要特定的路由器或者網(wǎng)關(guān)來對數(shù)據(jù)進行分組轉(zhuǎn)發(fā)。從而和因特網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互。

本文系統(tǒng)所采用的通信網(wǎng)絡(luò)就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)，它的優(yōu)勢可以很好地滿足城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的首要功能是滿足用戶界面和平臺之間的交互需求。平臺實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的管理和維護以及數(shù)據(jù)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。平臺具有場景化，可視化的用戶界面，便于用戶管理及查看設(shè)備，幫助實現(xiàn)設(shè)備與云端的連接。平臺一般可以分成三個類別：負(fù)責(zé)設(shè)備管理操作的設(shè)備管理平臺、負(fù)責(zé)通信管理的連接管理平臺、應(yīng)用使能平臺。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分有STM32F控制芯片、電源模塊、串口模塊、NB-IOT模塊、采集設(shè)備（流量計）。系統(tǒng)硬件的工作流程為：系統(tǒng)把采集到的信息通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺上進行數(shù)據(jù)的分析與處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1主控芯片設(shè)計

在綜合考慮系統(tǒng)的低功耗、外設(shè)端口及成本之后，本系統(tǒng)決定采用STM32F103VET6芯片作為主控芯片來對采集數(shù)據(jù)進行處理以及對通信部分的收發(fā)管理。芯片使用ARM? Cortex?-M3內(nèi)核， 高達80個I/O口，多種低功耗工作方式。基本滿足水務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)的性能需求。我們通過在單片機外接兩個晶振分別是32.768kHz、8MHz。為了能夠在用戶閃存啟動程序，一般的操作方法是在BOOT0引腳這里加一個100kΩ電阻。

3.2 流量傳感器

流量計選用的是渦輪流量傳感器[6]。它的工作原理是當(dāng)水流流過渦輪時，會沖擊渦輪扇片，從而帶動渦輪扇片的轉(zhuǎn)動。扇片的轉(zhuǎn)動速度與水流的流度是成正相關(guān)，于是通過測量一定時間內(nèi)渦輪扇片的轉(zhuǎn)動速度，來計算得出水的流動速度，從而得出一定時間內(nèi)供水管網(wǎng)的流量。使用集成傳感器芯片AH183對渦輪扇片的轉(zhuǎn)動速度進行測量。在扇片上添加磁性物質(zhì)，當(dāng)扇片轉(zhuǎn)動到AH183時，AH183的輸出就會變成低電平，當(dāng)扇片偏離AH183時，AH183的輸出信號就會變成高電平。重復(fù)操作，隨著扇片的轉(zhuǎn)動，輸出信號就形成了脈沖信號。傳感器的輸出信號通過電壓跟隨器輸出，在電壓跟隨器的輸出端并聯(lián)一個50pF的電容進行濾波，可以有效防止其他信號的干擾。而使用電壓跟隨器的作用是為了提高對脈沖信號的驅(qū)動能力，最后對輸出的脈沖信號進行計數(shù)。

3.3電源模塊

電源模塊如圖2所示，這里選用TLV6265，它是一款高效率降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。輸出電壓為2.7～5.5v，輸出電壓可調(diào)范圍為0.6v～vin，輸出電流可以達到1.5A。

3.4串口轉(zhuǎn)換電路

由于STM32的數(shù)據(jù)接口協(xié)議與計算機的數(shù)據(jù)接口協(xié)議不能夠匹配，因此二者之間不能夠直接進行數(shù)據(jù)傳遞。對于這個問題我們可以使用一個電平轉(zhuǎn)換器，來解決二者之間通信問題。我們選用CH340CG芯片來作為電平轉(zhuǎn)換器。CH340CG內(nèi)部集成了晶振的功能，它可以輕松實現(xiàn) USB 電平與TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

3.5 NB-IoT 模塊電路

本文使用的窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊是移遠的BC35-G模塊，支持UDP/TCP/MQTT等多種協(xié)議，滿足系統(tǒng)對于通信的設(shè)計要求。

4嵌入式軟件設(shè)計

4.1軟件設(shè)計

在設(shè)備進行通電之后首先要去使MCU初始化，讓其達到一個確定的初始狀態(tài)。然后再去對通信模塊即對BC35-G進行參數(shù)配置，只有先保證BC35-G模塊能夠正常工作之后才能與互聯(lián)網(wǎng)進行相連。最后我們還需要在程序中新建立四個任務(wù)，分別是看門狗，數(shù)據(jù)采集，實時通信，掉線檢測。

4.1.1 看門狗

添加看門狗的主要目的就是為了保證程序可以正常地去運行，如果發(fā)生異常的警報比如說死機或者一直沒有去喂狗（即按時清除計時器）。就會導(dǎo)致計時器溢出，產(chǎn)生一個RESET電信號。于是微控制器的程序重新啟動，系統(tǒng)也就不會一直處于死機狀態(tài)。

4.1.2 掉線監(jiān)測

由于實時通信功能的需要，當(dāng)要執(zhí)行實時通信任務(wù)時，必須要先保證服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)之間能夠建立了長連接。所以我們可以采取向服務(wù)器發(fā)送心跳包的方式來確定是否已經(jīng)建立連接。例如當(dāng)服務(wù)器收到網(wǎng)關(guān)發(fā)出的心跳包之后，會給網(wǎng)關(guān)發(fā)送確認(rèn)信息。如果網(wǎng)關(guān)收到的是正確信息就證明了此時服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)是建立了連接;反之它們此刻就沒有完成通信連接的建立，于是需要重新建立起二者之間的通信連接。這樣就可以完成客戶端對采集設(shè)備的實時監(jiān)測的功能。

4.1.3 數(shù)據(jù)采集

對于數(shù)據(jù)的采集，本系統(tǒng)利用STM32自帶的定時器去預(yù)先設(shè)置一個采集時間周期。本實驗的采集周期定為每隔一小時通過 RS485 接口發(fā)送相應(yīng)的指令采集數(shù)據(jù)，待所有數(shù)據(jù)采集完成。經(jīng)過MCU處理之后發(fā)送給數(shù)據(jù)庫并存儲在數(shù)據(jù)庫里面。系統(tǒng)本著低功耗的要求，當(dāng)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫之后就會斷開連接，其他硬件設(shè)施處于休眠狀態(tài)，直到下一個采集時間到來之前提前數(shù)分鐘進行喚醒操作，留下足夠的時間好讓硬件部分的程序充分啟動，整個硬件電路系統(tǒng)達到一個確定的運行狀態(tài)。

4.1.4 實時通信

此部分的功能是STM32F103單片機通過 BC35-G傳輸模塊保持與通信服務(wù)器的連接，Android客戶端通過服務(wù)器來發(fā)送相應(yīng)的指令給網(wǎng)關(guān)，然后MCU執(zhí)行相關(guān)的指令。執(zhí)行完任務(wù)之后MCU把執(zhí)行的結(jié)果返回給Android客戶端，這樣便實現(xiàn)了實時通信的功能。

5 系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用層主要實現(xiàn)人機交互[7]功能。供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用層可以劃分成三個部分分別是數(shù)據(jù)庫模塊、服務(wù)器模塊、Android 客戶端模塊。其中 Android 客戶端是面向用戶的，需要向管理人員展示出系統(tǒng)的應(yīng)用界面，以便操作人員監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)查詢、歷史環(huán)境數(shù)據(jù)查詢等功能。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[8]和通信服務(wù)器都分別搭在阿里云服務(wù)器端。使用云服務(wù)器的好處就是數(shù)據(jù)不再隨著存儲硬盤的損壞而丟失數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)庫存儲的水流量數(shù)據(jù)安全;同時也方便了用戶在安裝客戶端的情況下隨時查看歷史數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。

5.1 Android 客戶端設(shè)計

當(dāng)今社會使用最多的電子產(chǎn)品應(yīng)該就是手機了。從一開始只能夠打電話發(fā)信息的小靈通，到演變成擁有拍照、打游戲等等復(fù)雜的智能機。究竟是什么給手機帶來了這么大的進步，我認(rèn)為操作系統(tǒng)應(yīng)該是手機進化的巨大推力之一。正是因為有IOS、Android等手機操作系統(tǒng)才給我們帶來了智能機。所以我們?nèi)绻胍谑謾C上開發(fā)App就應(yīng)該基于IOS、Android這兩個操作系統(tǒng)其中之一進行開發(fā)。從實際出發(fā)綜合考慮之后決定使用 Android 系統(tǒng)來設(shè)計客戶端。它主要的優(yōu)點在于用戶基數(shù)更大，代碼是開源的。這些都會極大地方便了我們后期對App的維護和使用。

系統(tǒng)的軟件開發(fā)使用MVP （Model View Presenter）架構(gòu)[9]。在MVP架構(gòu)中：View 是一種視圖層，相當(dāng)于Android 模塊中的 Activity，主要功能為展示動態(tài)的頁面，對模型進行演示，提供一個與供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)項目管理人員交互的界面。Model 是一種數(shù)據(jù)模型，它可以跟數(shù)據(jù)庫直接相連，主要功能包括數(shù)據(jù)庫的讀和寫，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的請求等。Presenter 相當(dāng)于一座橋梁，把View和Model 連接起來。與傳統(tǒng)的 MVC 架構(gòu)相比較， View 與Model這兩個模塊層是分離開的，它們兩個之間是不直接進行數(shù)據(jù)傳輸。所以當(dāng)View想要獲得數(shù)據(jù)時，首先要讓Presenter 從 Model這里獲得數(shù)據(jù)然后經(jīng)過加工處理后再交給 View。這樣就完成了兩層之間的信息交互。

5.2 客戶端通信實現(xiàn)

供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)客戶端的通信功能由實時通信和歷史數(shù)據(jù)查詢兩部分組成。實時通信主要是查看環(huán)境數(shù)據(jù)，查看設(shè)備實時的運行狀態(tài)，如果發(fā)生爆管等突發(fā)狀況可以及時通知管理人員進行人工的干預(yù)。進而挽回突發(fā)狀況所引發(fā)的經(jīng)濟損失和減少水資源的浪費，這對于構(gòu)建節(jié)約型社會至關(guān)重要?？萍嫉陌l(fā)展就是為了造福社會，技術(shù)的廣泛使用就是為了方便所有人?？蛻舳嗽谂c通信服務(wù)器建立連接之后，由通信服務(wù)器訪問窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的實時通信。用戶人員還可以通過移動客戶端去訪問數(shù)據(jù)庫，查詢數(shù)據(jù)庫里面關(guān)于供水管網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)奶幚砗筒僮鳌?/p>

5.3 云服務(wù)器設(shè)計

依照供水管網(wǎng)的設(shè)計需求來看，可以把系統(tǒng)的服務(wù)端劃分為兩個部分第一部分是數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫使用MySQL，之所以選擇使用它主要有以下幾個原因：第一就是它本身是開源的這樣極大地方便了我們對它進行操作。第二就是它支持多種操作系統(tǒng)可移植性強，操作簡單。第三就是它可以多線程運行，這樣更好地利用CPU資源。最后一條是最重要的就是它可以獨自應(yīng)用在客戶端服務(wù)器，這樣我們就可以在服務(wù)器中很便捷地使用它。用戶只要通過 HTTP 協(xié)議就可以輕松對數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)進行查詢等合理操作。第二部分是通信服務(wù)器：本系統(tǒng)所采用的是Openfire 通信系統(tǒng)，為了實現(xiàn)移動端與網(wǎng)關(guān)的通信，本文選擇將它與在阿里云服務(wù)器相結(jié)合。

6結(jié)論

管理人員通過城市供水監(jiān)測系統(tǒng)可以隨時訪問采集的數(shù)據(jù)，實時觀測現(xiàn)場設(shè)備的運行情況。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析與處理得到水資源調(diào)度[10]的規(guī)律。這樣極大地方便了供水公司人員去管理整個供水管網(wǎng)，把相關(guān)的供水管理人員從繁勞的工作中解放出來。本系統(tǒng)還存在一些不足之處就是可以多加一些采集裝置，如壓力傳感器、定位裝置。希望在以后可以對系統(tǒng)進行升級，做出更加功能全面的監(jiān)測系統(tǒng)。

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