基于物聯網云平臺的熱水實時監控設計

談學釗 肖磊

摘要：通過對太陽能熱水系統的遠程實時監控進行需求分析并調研了現有的解決方案，提出了一種基于物聯網云平臺的遠程實時監控解決方案。系統使用MQTT協議實現PLC與服務器之間的數據傳輸，基于Web方式為用戶提供遠程操作方式，后臺實現了權限管理、數據管理等功能，為相關管理人員提供遠程操作數據的平臺。前臺實現機構信息、樓棟信息及數據點信息等展示功能，同時使用微信小程序作為移動端監控入口，實現了遠程移動監控。

關鍵詞：物聯網平臺；監控系統；移動性；效率優化

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）20-67-4

0引言

在節能環保的時代背景下，太陽能有光熱低污染、高普遍性、能源充足等特點，使得太陽能熱水系統的需求量越來越大[1-3]，對太陽能熱水系統的遠程監控提出更高的要求。通過調研分析發現，太陽能熱水系統在運行過程中會產生額外的能耗，這些不必要的能耗會隨季節和溫度的變化而波動[4-11]。如果無法有效降低系統額外能耗并控制系統運維等產生的費用，就會造成節能不節財的情況。

傳統的解決方案主要是基于單片機或PLC實現[12-13]，在故障告警及數據分析能力等方面存在不足。近年來，基于物聯網技術的遠程監控在不同應用領域中都有較好的應用[14-19]，同時MQTT協議解決了數據傳輸的穩定性和可靠性問題。因此本文提出了一種基于物聯網的太陽能熱水平臺遠程實時監控的解決方案，使用PLC和傳感器采集現場數據，利用MQTT協議實現PLC與服務器之間的數據傳輸，并為用戶提供基于Web和微信小程序的使用方式。

1需求分析

熱水監控平臺主要目的在于監控并能有效調度太陽能熱水系統內的相關數據，如監控水箱的水位數據，并根據該樓棟上個月或上幾個月的水位變化設置不同的補水策略；或設置不同的水溫加熱策略，讓陽光照射不足的太陽能熱水系統及時自動升溫等。

因此系統需要有效接收來自數據采集端的數據并建立相應數據庫，以便獲取相應數據的變化曲線，如水箱的水溫變化曲線，方便后續對水溫變化進行預測及設置相應的維護策略。維修人員、監控人員進行日常維護或實時監控時能通過通信設備，如電腦、手機及平板電腦等進行相關數據的查看、設置和修改，并與太陽能熱水監控系統的數據進行同步，實現遠程操作。如水箱狀態離線或水位無論如何補水都無法超過某個值時，可以讓維修人員及時發現并到場維修，減少維護成本，工作原理如圖1所示。

根據系統的需求分析分為系統功能、系統實現和關鍵問題3個研究點，其中，系統功能分為前臺功能及后臺功能，主要描述前后臺的結構及功能設計；系統實現則側重于描述系統的結構設計，體現MVC的分層思想；關鍵問題用于描述系統在設計與實現的過程中遇到的難點。

2系統設計

2.1系統功能設計

熱水監控平臺根據功能要求分為前臺和后臺兩部分，前臺主要負責數據展示，提供相關工作人員進行遠程監控；后臺主要負責權限管理、數據管理，提供相關管理人員遠程操作數據的平臺，如設置自動補水、自動加熱策略等，系統功能結構如圖2所示。

2.1.1前臺結構及功能設計

前臺包括Web端及微信小程序端兩部分，其功能一致，主要負責相關數據的展示，方便進行數據監控，如水箱水位、水溫等數據點的具體信息提供查詢功能，功能結構如圖3所示。

①主頁面：用戶需要經過登錄才能進入前臺，前臺系統會根據用戶的權限進行不同的展示，如當前登錄用戶為公司管理員，該用戶能看見自己公司所有機構的信息，如果當前登錄用戶為機構管理員，則該用戶只能看見自己所管理機構的信息。

②機構頁面：用于展示用戶可查看的機構信息。

③樓棟頁面：用于展示所屬用戶選擇機構的樓棟信息。

④數據點頁面：用于展示所屬用戶選擇樓棟的數據點信息。用戶可以查看數據點的相關信息，如水箱水位、溫度、告警記錄、水溫預測及水位預測等，還可以對數據點相關策略進行設置，如水位告警策略等。2.1.2后臺結構及功能設計

后臺主要是用于權限管理、數據管理。

權限管理主要是基于角色的訪問控制模型（Role-Based Access Control，RBAC）對用戶進行權限分配和管理[20]，使不同級別的管理員具有不同級別的操作權限，如樓棟管理員只能管理自己所管理樓棟的數據點等。

數據管理主要是提供相關數據的設置及修改，包括但不限于水位或水溫告警閾值、水溫的加熱策略、數據點的增刪查改等，如檢測水位是否達到告警閾值水位，或根據季節或天氣設置對應的加熱策略等操作，不再需要人員到場檢測或設置，達到節能節財的目的。后臺功能結構如圖4所示。