基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

李妹?王?琨?張容娟

摘要：為了改善高職院校的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，加快培養(yǎng)智能互聯(lián)行業(yè)高素質(zhì)技能型人才，根據(jù)智慧水利系統(tǒng)原理，開發(fā)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。圍繞智能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)核心能力和智慧水利系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、前端設(shè)計(jì)與開發(fā)、系統(tǒng)后臺(tái)管理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。沙盤設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)，利用多指標(biāo)、多維度的算法分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧水利沙盤各設(shè)備實(shí)時(shí)控制和3D場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)等。

關(guān)鍵詞：智慧水利；虛擬仿真；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

一、前言

水是人類生存的基礎(chǔ)資源，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，水資源需求不斷增加，可用水的壓力不斷增加。尤其是干旱和水資源缺乏的地區(qū)，供需矛盾更加嚴(yán)峻。隨著全球氣候變暖，水污染問題加重，對(duì)水資源的可持續(xù)使用提出了更高的要求。智慧水利屬于智慧城市的一個(gè)部分，在百姓生活中占有重要地位。智慧水利是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用在水利領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象的互聯(lián)感知和智能控制，從而切實(shí)提高水利工程應(yīng)用和管理[1]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜且前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域。這種系統(tǒng)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)實(shí)體水利系統(tǒng)的虛擬副本，即其“數(shù)字孿生”。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源管理、供水、污水處理等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和預(yù)測(cè)，以提高效率、降低成本并優(yōu)化決策過程[2]。本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)用、可靠的實(shí)時(shí)智慧水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，沙盤作為一個(gè)整體，布置完成后可以獨(dú)立演示智慧水利功能，比如水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水位檢測(cè)、滲漏檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、能夠補(bǔ)水、能夠開閘放水、能夠報(bào)警等[3]。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程的產(chǎn)教融合，凸顯職業(yè)院校技能人才培養(yǎng)的特色。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水利管理工具，旨在模擬和分析區(qū)域的水資源。系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)三維模型，模擬水資源系統(tǒng)、水庫(kù)、水源地等關(guān)鍵因素。用戶可以在虛擬環(huán)境中觀察和探索這些因素，了解水質(zhì)狀況和運(yùn)行狀態(tài)。使用水利沙盤模擬數(shù)據(jù)集成與監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可以集成各種實(shí)時(shí)的水務(wù)數(shù)據(jù)，如監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)等。通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，用戶可以實(shí)時(shí)了解水資源的情況、水質(zhì)變化、水位波動(dòng)等重要信息。

系統(tǒng)開發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、無線通信技術(shù)的應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以讓學(xué)生了解智能互聯(lián)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提升工程應(yīng)用能力。圖1中，智慧水利沙盤中的感知單元均采用工業(yè)級(jí)傳感器，采用RS485接口，測(cè)量精度高、耐高溫潮濕等。

三、系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要演示智慧水利的功能：水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水位檢測(cè)、滲漏檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、能夠補(bǔ)水、裂縫計(jì)、能夠開閘放水、雨量傳感器、能夠報(bào)警等。沙盤的硬件框架設(shè)計(jì)如圖2所示。串口服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，可以實(shí)現(xiàn)485網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸[4]。終端觸摸屏是常用的一種智能化設(shè)備，采用1920×1200dpi分辨率，10.1英寸屏幕，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上。它可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)沙盤環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

（二）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于仿真沙盤中溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、PM2.5濃度檢測(cè)傳感器、液位傳感器、降雨檢測(cè)傳感器、二氧化碳濃度傳感器等硬件傳感器最新歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以及對(duì)燈光、水泵、閘門控制狀態(tài)的記錄。主要數(shù)據(jù)表如下。

第一，空氣、裂縫檢測(cè)表（t_air_rent）：ID標(biāo)識(shí)、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、裂縫傳感器數(shù)據(jù)、上行數(shù)據(jù)時(shí)間。

第二，裂縫狀態(tài)記錄表（t_crack_status）：ID標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、上行數(shù)據(jù)時(shí)間。

第三，閘門狀態(tài)記錄表（t_gate_status）：ID標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時(shí)間。

第四，水泵狀態(tài)記錄表（t_pump_status）：ID標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時(shí)間。

第五，光照狀態(tài)記錄表（t_light_status）：ID標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時(shí)間。

第六，用戶閾值自定義表（t_user）：ID標(biāo)識(shí)、溫度、PM2.5、水位、水質(zhì)、操作時(shí)間。

第七，沙盤環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)表（table_env）：ID標(biāo)識(shí)、PM2.5濃度、雨雪檢測(cè)、降雨量檢測(cè)、上行數(shù)據(jù)時(shí)間。

第八，沙盤溫濕度檢測(cè)表（table_temp_hum）：ID標(biāo)識(shí)、溫度、濕度、上行數(shù)據(jù)時(shí)間。

（三）前端設(shè)計(jì)

前端開發(fā)框架選用Vue2.0，Vue會(huì)監(jiān)聽數(shù)據(jù)的變化，從而自動(dòng)刷新渲染頁(yè)面。虛擬仿真系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景，如圖3所示，3D場(chǎng)景功能主要實(shí)現(xiàn)天氣切換、模型旋轉(zhuǎn)控制、視角切換、場(chǎng)景模型添加點(diǎn)擊事件等信息展示，還可以模擬水閘開啟與關(guān)閉、水泵開啟與關(guān)閉，同時(shí)，所有傳感器數(shù)據(jù)虛擬場(chǎng)景一鍵展示。

（四）底層設(shè)備通信協(xié)議

傳感器和控制設(shè)備之間的通信選用MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議適用于低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，且易于實(shí)現(xiàn)[5]。協(xié)議配置的主題分為：up（上行數(shù)據(jù)主題）和down（下行數(shù)據(jù)主題）。傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議和狀態(tài)上傳數(shù)據(jù)協(xié)議選擇up主題，狀態(tài)下行數(shù)據(jù)協(xié)議選擇down主題。數(shù)據(jù)大屏能控制沙盤模型補(bǔ)水/開閘（對(duì)應(yīng)水泵與水閘）、燈光和裂縫模擬，能夠下行控制傳感器開啟與關(guān)閉，控制返回傳感器修改后的狀態(tài)，初始化時(shí)也應(yīng)顯示數(shù)據(jù)上傳兩個(gè)控制繼電器的狀態(tài)。

（五）后臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理使用Java程序?qū)崿F(xiàn)MQTT服務(wù)訂閱，對(duì)MQTT服務(wù)進(jìn)行消息接收與下發(fā)控制。編寫對(duì)應(yīng)的底層設(shè)備消息接收與下發(fā)控制接口，實(shí)現(xiàn)可視化大屏前端訪問后端數(shù)據(jù)接口，從而獲取沙盤各傳感器上行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，UI控件下行可以控制底層終端設(shè)備。后臺(tái)Java程序開發(fā)框架選擇Spring Boot技術(shù)框架，底層設(shè)備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，底層設(shè)備數(shù)據(jù)接收的下發(fā)數(shù)據(jù)通信協(xié)議選用MQTT協(xié)議[6]。

四、系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

智慧水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將沙盤設(shè)備各元素進(jìn)行一對(duì)一還原復(fù)刻，提供水利沙盤全景虛擬模型視圖，支持360度全局視角瀏覽模型，做到對(duì)智慧水利數(shù)據(jù)的宏觀把控。對(duì)水庫(kù)大壩中的元素進(jìn)行微觀細(xì)化處理，例如，支持放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、點(diǎn)選等操作。平臺(tái)通過與沙盤設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳，讓沙盤設(shè)備能夠自啟上云，精準(zhǔn)、全面、實(shí)時(shí)地獲取細(xì)粒度數(shù)據(jù)，并通過對(duì)數(shù)據(jù)的解析、清洗、加工、聚合、緩存，提供場(chǎng)景交互功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)沙盤各設(shè)備實(shí)時(shí)控制、本地場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、邊云協(xié)同等。圖4為智慧水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)物圖，從中可以看到智能控制系統(tǒng)，配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采集空氣溫度濕度、二氧化碳、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，將采集到的這些數(shù)據(jù)上傳到智慧水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，管理員可以通過平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析。

智慧水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)如圖5所示。通過環(huán)境檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照等進(jìn)行感知。將反饋的數(shù)據(jù)生成可視化沙盤，具備檢測(cè)水質(zhì)、天氣等功能。

五、結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)功能開發(fā)以安全、智能、綠色為原則，后臺(tái)基于Spring Boot技術(shù)框架實(shí)現(xiàn)可視化大屏前端訪問后端數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)聚集嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、軟件開發(fā)等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)，適用于電子信息、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程使用，也能基于該平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造用于“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新使用。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：張津平