基于NB-IoT的城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石明鈞 夏青

摘要：針對一些城市供水管網(wǎng)漏損率較高導(dǎo)致資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)虧損等問題，為了實(shí)現(xiàn)城市供水管網(wǎng)管理的智能化，使管理人員能夠能直觀、便捷地監(jiān)測供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，文章提出了一套基于NB-IoT技術(shù)的城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案使用STM32微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理，通過NB-IoT技術(shù)將處理好的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的協(xié)議發(fā)送給云平臺，使管理人員可以對供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。測試結(jié)果表明，該方案實(shí)現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：城市供水管網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；STM32；NB-IoT；低功耗；云平臺

中圖分類號：TP302? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0101-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人口的快速增長，供水管網(wǎng)的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，新舊管網(wǎng)交錯(cuò)縱橫，形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。由于城市供水管網(wǎng)一般埋于地下、鋪設(shè)距離遠(yuǎn)、地理位置復(fù)雜，且鋪設(shè)地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，潮濕多變的地理環(huán)境、設(shè)備供電問題等原因極大限制了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化，導(dǎo)致設(shè)備不能長久穩(wěn)定工作，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都受到了很大挑戰(zhàn)，供水管網(wǎng)在出現(xiàn)漏損、爆管等異常時(shí)不能及時(shí)反饋到監(jiān)測系統(tǒng)，延誤工作人員的修復(fù)時(shí)間，水資源被大量浪費(fèi)。

當(dāng)前，對供水管網(wǎng)的監(jiān)測主要采用有線監(jiān)測和無線監(jiān)測2 種方式[2]。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線監(jiān)測相對于有線監(jiān)測而言，具有布線簡單、安裝維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，更加適合用于管網(wǎng)監(jiān)測。近幾年新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things） 技術(shù)具備傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、大連接、低成本等特點(diǎn)[3-4]，適合運(yùn)用于對網(wǎng)絡(luò)連接和功耗有較高要求的智能設(shè)備。針對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中傳輸距離短、續(xù)航時(shí)間短、擴(kuò)展與升級不便、覆蓋范圍小等諸多不足之處，本文利用了NB-IoT技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢設(shè)計(jì)了一種城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的智能管理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器端、云平臺、監(jiān)控平臺組成[5-6]。終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由STM32微控制器為核心，通過壓力傳感器、流量傳感器、GPS定位模塊實(shí)現(xiàn)對供水管網(wǎng)信息采集，并通過NB-IoT無線通信模塊將終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲與處理。監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、設(shè)備管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控平臺會在用戶界面做出預(yù)警提示，并將報(bào)警信息存在數(shù)據(jù)庫中，方便日后查看。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)，終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件主要由主控制器MCU及外圍電路、NB-IoT通信模塊、壓力變送器、流量變送器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源相關(guān)電路等組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸?shù)裙ぷ鱗7-8]。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 主控模塊

考慮到本系統(tǒng)對功耗、成本、穩(wěn)定性等方面有一定要求，本文最終選擇STM32L151C8T6作為終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的主控制器，支持多種串口通信，在Low-power Run mode模式下功耗低至9μA。STM32L151C8T6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測的主要參數(shù)為流量及壓力數(shù)據(jù)，選取的傳感器為流量及壓力變送器，采用DC24V供電，輸出信號為4～20mA，設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路將采集的模擬電流值轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，通過微控制器的ADC通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)方法一致，如圖4所示。

2.3 NB-IOT通信模塊

本系統(tǒng)選擇移遠(yuǎn)BC20模塊作為系統(tǒng)的NB-IoT通信模組進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖5所示。BC20是一款同時(shí)支持GNSS定位功能的高性能NB-IoT模塊，它能夠在低功耗運(yùn)行模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級的接收靈敏度、高精確度以及快速定位，并能通過串口UART與STM32控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺[9-10]。

BC20模塊的SIM卡由模塊內(nèi)部的電源供電，支持1.8V外部SIM卡接入。在選擇好合適的SIM卡座后，需要完成與BC20模塊的電路連接。SIM卡外圍電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

為防檢測設(shè)備出現(xiàn)意外掉電等異常情況，系統(tǒng)終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)需要具備一定的數(shù)據(jù)存儲能力，將傳感器采集的數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度信息等存儲到本地。由于STM32自帶的FLASH存儲空間十分有限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Micro SD卡來擴(kuò)展存儲空間進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲，其具有小尺寸、大容量、低功耗、讀寫速度快等特點(diǎn)，使用SPI接口與主控單元進(jìn)行通信，接口電路圖如圖7所示。

2.5 電源模塊

監(jiān)測設(shè)備需要廣泛分布，系統(tǒng)使用大容量鋰電池供電。STM32L151C8T6的工作電壓為3.3V，而鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.7V，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)壓電路以保證STM32正常工作。輸入輸出壓差不大，采用ME6211C33 LDO對輸入電壓降到3.3V后輸出給STM32，滿足硬件低功耗設(shè)計(jì)需求，電源穩(wěn)壓電路如圖8所示。

壓力變送器與流量變送器均需要DC24V供電，需要設(shè)計(jì)24V的升壓電路，本設(shè)計(jì)選用的BOOST芯片為XB61041，此芯片的電壓輸入范圍為1.8～6.0V，可調(diào)節(jié)輸出電壓高達(dá)28V，高達(dá)1MHz的開關(guān)頻率，支持低功耗應(yīng)用，靜態(tài)電流僅為28uA，符合硬件設(shè)計(jì)的功能需求，升壓電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端主程序流程圖如圖10所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后執(zhí)行BC20模組的入網(wǎng)程序，入網(wǎng)成功則程序繼續(xù)向下執(zhí)行。判斷電源開關(guān)鍵是否按下，若開關(guān)鍵按下則執(zhí)行關(guān)閉電源程序，監(jiān)測終端關(guān)機(jī)，程序結(jié)束。若按鍵沒有按下，定時(shí)時(shí)間到達(dá)則開始執(zhí)行各傳感器數(shù)據(jù)的采集程序，并判斷數(shù)據(jù)是否采集成功，若失敗返回相應(yīng)的錯(cuò)誤信息并重新進(jìn)入主函數(shù)循環(huán)，若數(shù)據(jù)采集成功則通過BC20模組向云平臺發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，發(fā)送成功則重新進(jìn)入主函數(shù)循環(huán)，發(fā)送數(shù)據(jù)失敗則返回錯(cuò)誤信息。

BC20模塊集成了支持GPS、BeiDou的GNSS引擎，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的定位。BC20模塊支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183協(xié)議，其中包括多種通信消息格式，考慮到系統(tǒng)需求，采用最簡定位信息RMC作為通信消息格式。定位信息采集流程圖如圖11所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中壓力、流量變送器所采集的信號皆為4～20mA信號模擬量，經(jīng)過一個(gè)150Ω產(chǎn)生模擬電壓信號并通過STM32L151C8T6的ADC通道進(jìn)行采集，其中壓力模擬電壓的輸入通道為19，流量模擬電壓的輸入通道為20。壓力、流量數(shù)據(jù)采集流程圖如圖12所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用中國移動開發(fā)的OneNET云平臺，STM32主控單元將采集的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給BC20，BC20通過LwM2M協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在LwM2M協(xié)議中，終端設(shè)備的屬性被抽象為對象以及資源，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)都是其對象且擁有不同的Object ID，各對象下?lián)碛胁煌臄?shù)據(jù)資源，可以根據(jù)功能需求在資源列表中選擇合適的資源屬性。例如終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的GNSS信息就是一個(gè)對象，而系統(tǒng)需要的緯度、經(jīng)度就是其資源列表中的部分屬性，最終采集的資源屬性的數(shù)據(jù)將通過相關(guān)處理上傳給OneNET云平臺，終端節(jié)點(diǎn)使用的Object資源描述如表1所示。

在確定了接入?yún)f(xié)議以及Object相關(guān)資源之后，終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將發(fā)起請求接入OneNET云平臺并傳輸處理后的數(shù)據(jù)，其與OneNET云平臺的數(shù)據(jù)交互流程如圖13所示。

在終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的過程中，設(shè)置好循環(huán)周期時(shí)間，循環(huán)時(shí)間到達(dá)后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集函數(shù)并將不同的數(shù)據(jù)分別存入對應(yīng)的AT指令發(fā)送數(shù)組，通過一個(gè)計(jì)數(shù)值onenet_ok判斷是否所有Object資源注冊完成，onenet_ok=4時(shí)表示所有資源注冊完成，然后OneNET平臺發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)上傳后等待下一輪周期到達(dá)。

4 系統(tǒng)測試

待硬件系統(tǒng)設(shè)備連接并初始化完成后，通過串口助手對STM32主控單元進(jìn)行調(diào)試。在BC20模塊開機(jī)之后，使用AT命令測試信號質(zhì)量。信號質(zhì)量正常后，繼續(xù)測試ESP網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)以及PS域附著情況，測試正常后，向BC20模組發(fā)送“AT+CGSN=1”命令獲取IMEI，其標(biāo)識碼為862177042733900，隨后向BC20模組發(fā)送“AT+CIMI”獲取IMSI，其識別碼為460049167418294，如圖14所示。在OneNET云平臺將對應(yīng)信息添加完設(shè)備后，發(fā)送“AT+MIPLCREATE”命令創(chuàng)建通信實(shí)例，并得到返回結(jié)果ID為0，再發(fā)送“AT+MIPLOPEN=0，86400”命令發(fā)送注冊請求，注冊成功后發(fā)現(xiàn)設(shè)備在線，即可正常接收設(shè)備端數(shù)據(jù)，如圖15所示。

5 結(jié)束語

為滿足對城市供水管網(wǎng)智能化監(jiān)測的需求，本文設(shè)計(jì)了一套基于NB-IoT技術(shù)的城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。此系統(tǒng)可以對城市供水管網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并上傳給云平臺，對云平臺進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，方便管理人員查看獲取管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】