基于4G-DTU的用水信息管理系統

麥偉明

技術應用

基于4G-DTU的用水信息管理系統

麥偉明

（廣東省中山市質量計量監督檢測所，廣東 中山 528403）

基于4G-DTU設計用水信息管理系統。該系統采用智能水表采集監測點用水數據；利用4G-DTU傳輸實時采集的用水數據至云服務器并保存于數據庫，實現各監測點用水數據顯示、故障報警及歷史數據查詢分析等功能。實際應用測試結果表明：該系統運行穩定，滿足用水數據實時監測的需求，為推進節水型社會建設提供數據依據。

4G-DTU；智能水表；數據采集

0　引言

當前我國水資源面臨的形勢十分嚴峻，水資源短缺、水污染嚴重、水生態環境惡化等問題日益突出，已成為制約社會經濟可持續發展的主要瓶頸。建立科學健全的水資源監測、用水計量及統計等管理方法，對推進節水型社會建設有重要意義。

目前，國內用水管理大多采用人工抄表的方式，抄表時間間隔較長，且耗費人力。而現有的供水自動化數據采集系統多采用封閉內網結構[1-3]，存在傳輸速度慢、通信距離短等問題，在遠距離布點及不方便布置內網結構的監控場所無法使用。因此需要建立一個集數據采集和分析為一體的實時用水在線管理系統，為水資源監測部門提供技術支持。為此，本文設計一套用水信息管理系統，實現多點用水情況實時監測和管理。

1　系統整體結構

基于4G-DTU的用水信息管理系統整體結構如圖1所示，由智能水表、4G-DTU模塊及云服務器等組成。其主要工作過程為：智能水表采集每個監測點的用水數據，并定時將采集的數據通過串口總線RS485傳給4G-DTU模塊；4G-DTU模塊接收數據并進行處理；數據通過4G無線網絡傳輸到云服務器并存儲至數據庫；PC客戶端展示界面實現各監測點用水數據的實時更新發布、顯示、故障報警及歷史數據查詢分析。

圖1　基于4G-DTU的用水信息管理系統整體結構

基于4G-DTU的用水信息管理系統主要功能包括：用水流量參數實時采集、分段用水總量參數采集、用水量數據統計及存儲、用水量超限警示、PC客戶端展示界面顯示用水信息。其特點有：

1）云服務器及數據庫支持終端數據的實時更新，實現遠程監測及管理；

2）不受地理位置和環境限制，只要有移動4G信號的地方都可實現數據傳輸，解決了傳統監測系統封閉內網的不足；

3）具有通用性且易于擴展，對不同應用場景，只需確定多個采集點位置，并安置智能水表和4G- DTU模塊即可。

2 系統硬件

基于4G-DTU的用水信息管理系統硬件包括智能水表和數據傳輸模塊2部分。

2.1　智能水表

根據需求選擇合適的智能水表[4]對系統至關重要。目前，使用較多的智能水表是電子遠傳水表，其主要有脈沖式和直讀式[5]2類。其中脈沖式遠傳水表成本較低，可輸出瞬時流量，但水表壽命受電池壽命限制；光電直讀式遠傳水表具有數據準確性高、無需電源供電、使用壽命長等特點，是當前小口徑遠傳水表的主流。本系統選用光電直讀式遠傳水表。

光電直讀式遠傳水表采用MODBUS-RTU通訊協議，并通過RS485通信接口把數據傳輸給4G-DTU。該協議在一根通訊線上采用主從應答方式，只允許在主機和終端設備之間通訊，而不允許獨立的終端設備之間進行數據交換。這樣各終端設備不會在初始化時占據通訊線路，而僅限于響應到達本機的查詢信號。每個水表設置唯一的地址碼，被主機尋址到的水表回應包含該地址的查詢，即可建立主機與該水表之間的通訊。

2.2　數據傳輸模塊

DTU是將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，并通過無線通信網絡為用戶提供無線數據傳輸的終端設備。

系統選用USR-G780 4G-DTU模塊實現數據的傳輸。其主要由CPU控制模塊、4G無線通信模塊以及電源模塊構成，數據傳輸速率快、容量大、通信費用較低，且不受地理位置和環境的限制，具有較好的實時性[6-8]。

4G-DTU工作模式為網絡透傳模式，連接服務器模式為TCP長連接，以保證DTU與服務器相連；啟用注冊包，對每個4G-DTU設置唯一設備編號，實現數據上傳時云服務器可識別DTU。

3　系統軟件

基于4G-DTU的用水信息管理系統軟件包括數據采集程序、PC客戶端展示界面和數據庫數據管理系統。

3.1　數據采集程序

數據采集程序主要實現數據的采集及儲存。

數據采集程序實現的功能有：監控服務器IP端口、監聽4G-DTU的TCP連接請求、通過3次握手與4G-DTU建立連接后開始通信、在線接收4G-DTU上傳的數據包。數據采集程序接收到4G-DTU上傳數據包后，按照數據包格式定義進行校驗和數據解析，并將數據存入數據庫。系統數據采集程序流程如圖2所示。

圖2　數據采集程序流程圖

3.2　PC客戶端展示界面

PC客戶端展示界面可顯示每個水表本日、本月、本季以及本年的用水數據和本月用水消耗曲線圖。設置用水數據采集間隔為1 h，每小時用水量可更新檢測，同時用水量超過預設值會發出警報，警示是否存在水管爆裂等問題。某企業的用水信息管理系統PC客戶端展示界面如圖3所示，實現對企業9個監測點用水流量的實時監控，包括總用水量、主樓的1層~3層、4層~12層和13層~22層用水、副樓的1層~3層和4層~5層用水、綠化用水量、飯堂用水以及洗車用水，每小時刷新一次數據，同時本月用水消耗圖能直觀反映用水趨勢。

圖3　PC客戶端展示界面

3.3　數據庫數據管理系統

對用水情況進行科學管理，需分析采集的大量用水數據，為此建立用水數據庫數據管理系統，其功能模塊結構如圖4所示。

圖4　數據庫數據管理系統功能模塊結構

數據庫數據管理系統主要功能包括：

1）數據的存儲、導入及導出；

2）各個水表用水數據的按需查詢；

3）PC客戶端展示界面的數據更新；

4）系統器具管理的更新、刪除及修改；

5）用戶信息安全管理。

4　系統應用

2018年，本文設計的用水信息管理系統應用于有節水改造需求的某企業，對企業9個監測點用水流量進行實時監控，采集數據如圖3所示。經過近2年時間的實際應用，系統運行情況良好，無斷點漏采現象。

5　結論

本文設計的基于4G-DTU的用水信息管理系統，實現了對多個用水監測點的數據采集、顯示、故障報警及歷史數據查詢分析。經實際應用測試，該系統運行穩定，效果良好。

[1] 陸維.自動抄表系統在供水抄表中的實際應用[J].自動化與信息工程,2009,30(2):37-39.

[2] 李紅衛,玄惠萍.自動抄水表系統現狀及發展動向[J].中國計量,2001,7(2):39-40.

[3] 羅迪.基于智能化平臺的遠程水表抄表方案[J].工業計量, 2015,25(6):21-25.

[4] 王丁磊,吳杰.智能水表的發展現狀[J].工業計量,2010,20(1): 21-23.

[5] 咸夫正.角位移直讀水表與遠程抄表系統的研究[D].青島:山東科技大學,2015.

[6] 李雙喜,徐識溥,劉勇,等.基于4G無線傳感網絡的大田土壤環境遠程監測系統設計與實現[J].上海農業學報,2018,34(5): 105-110.

[7] 崔心惠.基于4G網絡的污水處理遠程監控系統研究與應用[D].馬鞍山:安徽工業大學,2018.

[8] 路榮坤,陳忠孝,秦剛,等.基于4G-DTU水質監測系統的設計[J].機械與電子,2018,36(1):58-61.

[9] 郝勇.地表水水質監測管理信息系統的數據庫設計[J].上海工程技術大學學報,2003,17(3):211-216.

Water Information Management System Based on 4G-DTU

Mai Weiming

（Zhongshan Supervision Testing Institute of Qulity&Metrology, Zhongshan 528403, China）

An information management system for water based on 4G wireless networks is designed in this paper. This system uses smart water meter to collect data of water at each monitoring point, the 4G DTU is used to transfer the data from field acquisition to server and save its in database, finally data display, fault alarm and historical data query are realized in the information management system. The experiment results show that the system is stable and meet the requirements of real-time monitoring of the information of water. It provides data basis for promoting the development of water-saving society.

4G-DTU; smart water meter; data acquisition

麥偉明，男，1961年生，工程師，主要研究方向：長度力學計量技術。E-mail: 13703041146@139.com

TN92

A

1674-2605(2020)03-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.008