基于LoRa和NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石英春，陳春陽(yáng),王 巍

(1.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083；2.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410200)

0 引言

由于老舊管網(wǎng)智能化水平低，二次供水檢測(cè)設(shè)備落后，主要采用人工讀取其壓力、流量、水位和水質(zhì)檢測(cè)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取不及時(shí)、人工讀取困難、數(shù)據(jù)讀取容易出錯(cuò)等問(wèn)題，這使得很難快速找到漏水故障點(diǎn)，排查漏水事故，造成水資源的巨大浪費(fèi)。實(shí)施供水管網(wǎng)智能化建設(shè)工程，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管網(wǎng)平臺(tái)，提高供水管網(wǎng)的信息化和智能化水平[1-2]。

隨著智能技術(shù)的進(jìn)步，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采取升級(jí)換代的方式，在不改變?cè)性O(shè)備管網(wǎng)檢測(cè)功能的前提下，通過(guò)設(shè)計(jì)智能管網(wǎng)系統(tǒng)，端點(diǎn)采集設(shè)備采用遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信方式(long range radio，LoRa)，在數(shù)據(jù)抄讀方面實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)計(jì)量、監(jiān)測(cè)的智能化，形成大量的、精細(xì)化的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，將管網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端與云端服務(wù)平臺(tái)之間采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrowband internet of things，NB-IoT)通信方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)管網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為供水管網(wǎng)漏損控制提供有利的數(shù)據(jù)支撐[3-4]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。由端點(diǎn)采集設(shè)備、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端、云端服務(wù)平臺(tái)、手機(jī)APP客戶(hù)端、瀏覽器客戶(hù)端組成，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端可以接收不同采集設(shè)備監(jiān)測(cè)到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。

端點(diǎn)采集設(shè)備可以采集管道中水的壓力數(shù)據(jù)、管道流量數(shù)據(jù)、管道水位數(shù)據(jù)、管道水質(zhì)數(shù)據(jù)(包括出水pH值、出水余氯、出水混度、原水混度)等信息，端點(diǎn)采集設(shè)備與管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端采用LoRa通信方式，克服了有線(xiàn)通信方式施工復(fù)雜、維護(hù)困難，藍(lán)牙通信方式傳輸距離短，GPRS通信方式成本高等缺點(diǎn)，采用LoRa點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)，操作簡(jiǎn)單、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定等[5-6]。

管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端將通過(guò)下行LoRa路由節(jié)點(diǎn)抄讀某一區(qū)域端點(diǎn)采集設(shè)備的所有數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并通過(guò)NB-IoT傳輸方式，連接到基站，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集分析[7-8]。

云端服務(wù)平臺(tái)接收管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的管網(wǎng)漏損判斷，達(dá)到精準(zhǔn)漏損控制的目的。手機(jī)APP客戶(hù)端、瀏覽器客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)對(duì)抄回的管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析后的展示[9-10]。

2 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

2.1 端點(diǎn)采集設(shè)備設(shè)計(jì)

考慮端點(diǎn)采集設(shè)備的功能需求，將端點(diǎn)采集設(shè)備分為公用模塊和專(zhuān)用模塊。公用模塊包括微處理器、電源處理電路、電源控制電路、設(shè)備上行通信模塊、通信天線(xiàn)、下載口等部件；專(zhuān)用模塊分為管網(wǎng)壓力模塊、管網(wǎng)流量模塊、管網(wǎng)水位高度模塊、水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊等。

微處理器通過(guò)專(zhuān)用模塊采集到管網(wǎng)中的壓力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水混度等信息，然后將采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)設(shè)備上行通信模塊發(fā)送到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端。由于管網(wǎng)設(shè)備大部分以鐵管為主，且管段之間有浸水或爆管的情況發(fā)生，不適用于外部電源接線(xiàn)，采用外部鋰電池供電方式，電源處理電路首先接入外部鋰電池，然后通過(guò)電源處理電路濾波，給端點(diǎn)采集設(shè)備的各模塊提供電能。其系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 端點(diǎn)采集設(shè)備硬件框圖

2.1.1 微處理模塊

本系統(tǒng)采用STM32系列芯片，具體型號(hào)為：STM32L051，32位MCU，基于Cortex-M0的ARM內(nèi)核，最大1 MB的FLASH、8 KB的SRAM存儲(chǔ)器，2 KB EEPROM存儲(chǔ)器，12位的AD轉(zhuǎn)換器，2個(gè)USART接口和1個(gè)UART接口[11-12]。

2.1.2 專(zhuān)用模塊

端點(diǎn)采集設(shè)備應(yīng)用于不同場(chǎng)合，通過(guò)專(zhuān)用模塊，組合成不同的端點(diǎn)采集設(shè)備。具體為，通過(guò)管網(wǎng)壓力模塊與公用模塊結(jié)合組成管網(wǎng)壓力計(jì)；通過(guò)管網(wǎng)流量模塊與公用模塊結(jié)合組成管網(wǎng)流量計(jì)；通過(guò)管網(wǎng)水位高度模塊與公用模塊結(jié)合組成管網(wǎng)液位計(jì)；通過(guò)管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊與公用模塊結(jié)合組成管網(wǎng)水質(zhì)檢測(cè)儀。各專(zhuān)用模塊與通用模塊的微處理器之間采用TTL串口形式連接，通過(guò)modbus通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.1.3 設(shè)備上行通信模塊

設(shè)備上行通信模塊使用LoRa通信方式，采用國(guó)產(chǎn)通用的LoRa無(wú)線(xiàn)通信模組，外圍電路方便。該模組集成了SX1262芯片、LoRa射頻收發(fā)器和 LoRa調(diào)制解調(diào)器；其頻率覆蓋 150～960 MHz連續(xù)頻段；支持LoRa調(diào)制和FSK調(diào)制。并且在SF12下接收靈敏度超過(guò)-140 dBm，最大的發(fā)送功率為 22 dBm，最大的工作電流為108 mA，Sleep mode電流低至0.6 μA，該模組適合超遠(yuǎn)距離、超低功耗、高性?xún)r(jià)比的LPWAN 應(yīng)用。此方案將模組SPI接口與微處理器的SPI接口相連。

2.2 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端包括下行路由模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、終端上行通信模塊等部件，該終端通過(guò)下行路由模塊抄讀端點(diǎn)采集設(shè)備中的壓力、流量、液位和水質(zhì)信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)模塊中，供管網(wǎng)云端服務(wù)平臺(tái)抄讀數(shù)據(jù)。管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端因安裝在戶(hù)內(nèi)，上傳頻次較高，因此電源模塊通常采用220 V外部電源供電方式，通過(guò)電源模塊整流、穩(wěn)壓處理后，為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。下行路由模塊和存儲(chǔ)模塊均是采用SPI接口的方式分別連接到微處理器的SPI0和SPI1接口。終端上行通信模塊采用串口的方式與微處理器的低功耗串口相連，并對(duì)通信電源進(jìn)行控制，保證通信模塊工作穩(wěn)定和可靠復(fù)位。其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端硬件框圖

2.2.1 Cortex-M0處理器模塊

本系統(tǒng)采用32位系列芯片，具體型號(hào)為HC32L190JCTA，ARM32位Cortex-M0內(nèi)核，內(nèi)部帶有256 KB的Flash存儲(chǔ)器，32 KB的RAM存儲(chǔ)器，附帶奇偶校驗(yàn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，2 路 SPI 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，4路UART標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，內(nèi)部資源滿(mǎn)足管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端的應(yīng)用需求。

2.2.2 終端上行通信模塊

上行通信模塊采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)通信方式，因其具有廣覆蓋、寬連接的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。采用M5311高性能模組，該模組供電電壓低至2.1 V，支持電池和外部?jī)煞N供電方式，能最大限度使用電池電量，獲得更長(zhǎng)的終端壽命，提供豐富的外部接口和協(xié)議棧，支持外接傳感器設(shè)備，為用戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供便利。工作電壓適用范圍為3.0～3.6 V，典型應(yīng)用為3.3 V。如圖4所示，供給的電源電壓，采用了MOS管控制的方式，在不用的狀態(tài)下可靠斷電，復(fù)位管腳DEC_RST_A 和電源控制管腳DCE_PWR_A都采用了輔助電路接地的控制方式，在通信DTE_TXD和DTE_RXD回路中均增加了電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了3.0 V電平和1.8 V電平轉(zhuǎn)換。避免M5311和微處理器的輸出電平不一致，而損壞內(nèi)部電路。

圖4 終端上行通信模塊電路

2.2.3 下行路由模塊

管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)下行路由模塊接收端點(diǎn)采集設(shè)備中設(shè)備上行通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。下行路由模塊與設(shè)備上行通信模塊通信,使用480～510 MHz的頻段，采用LoRa調(diào)試方式，由于管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端為外部電源供電，其供電電源采用常供電的方式，實(shí)時(shí)準(zhǔn)備接收下行端點(diǎn)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)芯片中，通信天線(xiàn)采用外置吸盤(pán)天線(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 端點(diǎn)采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

端點(diǎn)采集設(shè)備根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，將采集管網(wǎng)中的數(shù)據(jù)量信息，比如管網(wǎng)中的壓力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水混度等，根據(jù)微控制器的預(yù)先設(shè)置，通過(guò)設(shè)備上行通信模塊發(fā)送到管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端。根據(jù)不同的端點(diǎn)采集設(shè)備，采用模塊化設(shè)計(jì)，具體包括壓力模塊、流量模塊、液位模塊、水質(zhì)模塊、上行通信模塊等部分。端點(diǎn)采集設(shè)備的軟件整體流程如圖5所示。

圖5 端點(diǎn)采集設(shè)備流程圖

3.2 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端將采集的端點(diǎn)采集設(shè)備數(shù)據(jù)信息，通過(guò)終端上行通信模塊上傳到云端服務(wù)平臺(tái)，并接收云端服務(wù)平臺(tái)的下行命令，傳輸至端點(diǎn)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)端點(diǎn)管網(wǎng)設(shè)備的控制。程序過(guò)程：首先處理器進(jìn)行初始化各管腳，配置相關(guān)寄存器。隨后，等待接收云端服務(wù)平臺(tái)指令，如果收到指令，進(jìn)行解析并判斷是否上傳數(shù)據(jù)，收到上傳數(shù)據(jù)的命令后向云端發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)未收到云平臺(tái)的接收指令時(shí)，繼續(xù)判斷是否收到端點(diǎn)采集設(shè)備的發(fā)送請(qǐng)求，如果收到，就接收端點(diǎn)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，并發(fā)送接收完成指令，否則繼續(xù)等待接收云端服務(wù)平臺(tái)指令。管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端流程圖如圖6所示。

圖6 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端流程圖

4 智能管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

在湖南省內(nèi)某自來(lái)水公司搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云端服務(wù)平臺(tái)，對(duì)管網(wǎng)端點(diǎn)采集設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，連續(xù)正常運(yùn)行12個(gè)月，抄讀管網(wǎng)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)成功率達(dá)99%以上。此平臺(tái)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將管網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端采集的管網(wǎng)中的壓力、流量、水位高度、pH值、出水余氯、出水混度、原水度等信息，匯聚到云端服務(wù)器，進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)、展示與分析。圖7為系統(tǒng)抄讀數(shù)據(jù)值。圖7(a)為管網(wǎng)流量計(jì)數(shù)據(jù)，包括正向累計(jì)流量、逆向累計(jì)流量、瞬時(shí)流量信息；圖7(b)為水質(zhì)分析儀監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括出水pH值、出水余氯值、出水濁度值、出水原水混度等信息。

(a)管網(wǎng)流量計(jì)數(shù)據(jù)

管理人員根據(jù)用水結(jié)構(gòu)對(duì)某區(qū)域的供水量進(jìn)行分類(lèi)匯總,通過(guò)云端服務(wù)平臺(tái)可視化界面可以查看到水表增長(zhǎng)量分析、管道口徑統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)匯總、設(shè)備類(lèi)型統(tǒng)計(jì)、日用水量統(tǒng)計(jì)、小區(qū)日用水量統(tǒng)計(jì)、小區(qū)月用水量統(tǒng)計(jì)等信息，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)漏損分析，查找漏水故障點(diǎn)，節(jié)約用水資源，如圖8所示。

圖8 云端服務(wù)平臺(tái)可視化界面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效解決了管網(wǎng)數(shù)據(jù)抄讀不及時(shí)，人工抄讀困難、抄讀數(shù)據(jù)易出錯(cuò)、維護(hù)成本高、漏損分析困難等問(wèn)題。該檢測(cè)系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，抄讀數(shù)據(jù)成功率達(dá)99%以上，為管理人員提供詳細(xì)、準(zhǔn)確、及時(shí)的管網(wǎng)供水設(shè)備信息和供水質(zhì)量的重要參數(shù)，便于后續(xù)進(jìn)行管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，為管網(wǎng)漏損控制提供參考。管理人員還可以通過(guò)手機(jī)APP客戶(hù)端、瀏覽器客戶(hù)端實(shí)時(shí)查看管網(wǎng)水量、水壓、水質(zhì)、水位等信息，滿(mǎn)足管理人員監(jiān)測(cè)的需求。