水利智能設備數據傳輸趨勢及監控實現

張姣姣，劉紅旺，雷 亮，葉雨龍

（天津水利電力機電研究所，天津301900）

1 引言

現在水利系統對信息化要求越來越高，監控設備所要滿足的環境條件也越來越苛刻。水利系統要求設備可以工作在潮濕、密閉甚至是遠離供電電源的環境下，要求設備數據傳輸可靠且節能。本文對水利監控系統特點進行分析，并介紹了物聯網技術在水利監控系統中的應用。

2 水利系統信息化要求

隨著水利系統對信息化要求的提高，系統對以下情形的監控需求會越來越多。

2.1 監控現場偏遠化

隨著國家加快偏遠地區的開發及推進扶貧項目的需要，水利系統監控范圍必須覆蓋到一些偏遠地區。

2.1.1 設備運行要求

大多數偏遠地區系統運行條件十分有限，而信息化發展需要監控居民用戶或扶貧用水調度數據，這樣就要求安裝在現場的監控設備價格便宜、可靠性高、運行費用低、維護簡單方便。物聯網智能設備相對于傳統智能設備而言造價低，而且運行可靠性高，運行不需要專業技術人員現場值守，總體運行成本低。

2.1.2 設備電源要求

與智能電力監控設備不同，智能水利監控設備并不能保證檢測設備臨近可供電電源，偏遠地區監控現場還存在供電受限的情形，有些監測設備必須安裝在人跡罕至的環境中，且現場無外部供電。

基于MQTT的物聯網智能設備可以在無外部電源供給的情況下，依靠自帶電池正常工作近6年時間，在外部電源受限的偏遠地區，物聯網設備可應用于水利監控系統，為水網的智能運行提供可靠數據支持。

2.2 工作環境特殊化

一般的智能監控設備要求環境干燥、具有良好的數據通信條件，而有些水利系統的智能監控設備不得不工作在潮濕的環境下，但絕大多數水利改造項目的設備安裝環境不僅潮濕，而且空間狹小，且不具備鋪設通信線纜的條件。

現行的物聯網終端可以封裝成為防水防潮且安裝方便的無線傳輸設備，能夠適應特殊環境的要求，方便安裝、拆卸。

3 建立基于MQTT的物聯網系統

本文將以天津水利電力機電研究所為中國水利水電科學研究院提供的智能水表監控系統為例，介紹系統結構并論證物聯網系統在水利系統的可用性。

系統采用Message Queuing Telemetry Transport（MQTT）協議進行物聯網信息傳輸。MQTT是現行主流的物聯網協議，它是一種輕量級的網絡協議，在網絡設備和網絡上需要的資源相對HTTP、AMQP、XMPP等協議少。此MQTT特性符合水利系統在網絡建設成本高、現場設備性能受限的偏遠監控點的需求，它采用發布/訂閱模式工作，可以將信息進行一對多傳輸，在降低對現場硬件設備要求的同時，降低應用程序的耦合性。

系統服務建立在CentOS7操作系統上，通過對JavaScript結合Python技術的研究，用Django建立服務系統，將模型用Web形式進行管理展示。在服務器建立MQTT服務（采用mosquitto），實現將信息收集到服務器的功能。

數據庫服務建立在CentOS7系統上，采用postgresQl12完成數據存儲。

終端設備采用STM32芯片完成數據上報處理，此系列芯片性能高、成本低、功耗低，采用定時發送數據、傳輸完成隨即斷開鏈接的模式運行節省用電，滿足無供電電源地點對監控設備的要求；設備配置外置天線，可將天線與設備本體分離安裝，滿足信號傳輸要求；終端測試完成后用密封膠灌裝密封，以適應潮濕環境對設備的要求。

實現服務的網絡架構的具體模塊及組成結構如圖1所示。

圖1 物聯網監控系統架構

4 物聯網設備監控實例

4.1 設備網絡傳輸

本文以新型智能NB-Iot水表及其抄表管理平臺介紹物聯網水表網絡傳輸及管理后臺的應用。

智能NB-Iot水表通過自身內置的NB-Iot無線模塊（搭載著物聯網卡，需購買網絡流量才能上網進行數據傳輸與連接）通過運營商進行網絡傳輸（中國移動、中國聯通或者中國電信運營商）直接把單元信息傳輸到平臺服務器中，平臺服務器按照智能NB-Iot水表的協議進行數據解析得到水表顯示的真實數據。

只要平臺服務器連接網絡，任意一臺可上網計算機通過網絡訪問平臺服務器即可查看水表詳細數據信息。

4.2 后臺系統功能

系統架構采用Django配合JavaScript技術，以實現系統頁面通過瀏覽器展示。整體界面簡潔、操作簡單；可實現水表數據存儲與管理、用戶數據管理、抄表流程自動化、營業收費管理、管網運行數據在線監測、業務報表、大數據分析等功能。如圖2所示。

圖2 水表管理平臺

5 結論

現在水利系統可以應用物聯網技術實現對偏遠地區水務數據的監控，滿足水利行業信息化的需求。