試論物聯網終端在管網數據采集中的應用

張美麗 李超 牛琴 李丹 魏雨鈞

摘 要 隨著 “互聯網+”、“工業4.0”、“中國制造2025”等概念的出現，物聯網在中國已經是“落地階段”。數據采集是物聯網的關鍵環節，通過物聯網采集終端將海量的數據匯聚起來，如流量、壓力、溫度等，供后續軟件進行數據分析、設備控制與信息處理。因此，本文針對物聯網終端在供水管網數據采集中的應用，提出了一些方法論。

關鍵詞 管網;物聯網;NB-IoT;通信;數據采集

Absrtact With the emergence of concepts such as "Internet +"， "Industry 4.0" and "Made in China 2025"， the Int-ernet of Things has already entered the "landing stage" in China. Data acquisition is a key link in the Internet of Th-ings. Massive data， such as flow， pressure and temperature， are gathered through the Internet of Things acquisition terminal for subsequent data analysis， equipment control and information processing. Therefore， this paper proposes some methods for the application of Internet of Things terminals in the data collection of water supply network.

Keywords Pipe Network; Internet of things; NB-IoT; Communication; Data acquisition

1物聯網終端技術概述

隨著 “互聯網+”、“工業4.0”、“中國制造2025”等概念的出現，物聯網在中國已經是“落地階段”。物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術[1]，把萬事萬物互聯起來，在這個網絡中，物品和物品能夠互相傳遞信息[2]，而不需要人為去操作。物聯網終端在物聯網中起著很重要的作用，它連接著傳感網絡層和傳輸網絡層[3]，可以實現數據采集、狀態監測、遠程控制和現場數據管理等功能。

目前，供水管網漏水現象在國內外供水行業普遍存在，這不但浪費寶貴的水資源，也給供水企業造成很大的經濟損失。為了了解管網供水是否安全、穩定地運行，需要對管網泄漏情況進行監視監測，方便管理人員做出決策，對管網故障進行排除與控制，確保供水管網輸配水能力提升，確保提供充足穩定的水資源。這就需要在管網數據采集中應用物聯網終端，采集測量流量、壓力、溫度、電池電壓等物理量，實現對供水管網關鍵節點進行遠程實時監測。通過對采集的流量、壓力等分析，可以及時發現管網供水是否正常，并且可以測算出漏點區域位置和漏損情況，有效地降低管網漏損率和產銷差率。

管網物聯網終端集成有NB-IoT通信模組，MCU以及各種硬件接口。然后還可實現數據采集，傳輸等功能。是一款集多數據采集、多通訊方式、大容量存儲、實時數據上傳以及遠程監測管理等功能的智能產品。它可以實現傳感網絡層與傳輸網絡層的連接，達到數據實時監測、遠程控制與管理的目的。鑒于該終端的易用性和可擴展性，在水文水資源監測、供水管網監測，給排水和水利的數據自動采集和遠程監測都已經得到了廣泛應用。

農村安全飲水工程于“十一五”啟動建設，“十三五”進入鞏固提升階段。湖北省農村水廠管網至今存在的問題是：供水管線距離較長，大部分呈樹狀分布，并且很多老式的布線，目前根本就找不到部署位置，地形比較復雜，如果發生爆管等問題，人工巡查很難找到漏點，會造成維修成本高、效率低，并影響到群眾正常飲水。為了提高效率、減少損失，我們引入了物聯網終端的應用。

2物聯網終端技術原理與實現應用

2.1 技術原理

物聯網終端是基于NB-IoT通信加WIFI輔助的無線數據采集終端系統，包括NB-IoT模組，微處理器、供電電源一、WIFI輔助數據采集模塊、繼電器線圈、繼電器常閉觸點開關、繼電器常開觸點開關、供電電源二、二極管及地線，所述供電電源一的輸出端與微處理器的電源輸入引腳連接，繼電器線圈的一端與微處理器的電源輸出引腳連接，另一端與二極管的陽極連接，二極管的陰極與供電電源二的輸出端連接，繼電器常閉觸點開關的一端與供電電源二的輸出端連接，另一端與WIFI輔助數據采集模塊的電源輸入引腳連接，WIFI輔助數據采集模塊的電源輸出引腳與地線連接，繼電器常開觸點開關的一端與供電電源二的輸出端連接，另一端與NB-IoT模組的電源輸入引腳連接，NB-IoT模組的電源輸出引腳與地線連接。

另外，此物聯網終端能在惡劣的自然環境下實現不間斷自動傳輸數據。其中，利用串口輸出AT指令來控制通信模塊的相應動作，并結合通訊異常處理與心跳包機制，通過底層心跳包機制和上層注冊包機制將模塊設置為透傳模式，在模塊連接TCP成功之后，單片機串口發送的數據至模塊的串口上，模塊自動將這些數據發送至服務端[4]，實現不間斷自動傳輸數據極大的方便了軟件設計，更有利于控制軟件流程。

物聯網終端通過RS485串口讀取水表的流量，通過壓力、溫度傳感器結合AD轉換模塊獲取管網壓力、溫度值，通過對電池的電壓AD轉換模塊獲取當前電池電壓，再通過NB-IOT傳輸模塊對獲取的數據傳輸至服務器，通過上位機軟件對數據進行分析總結歸納。

2.2 實現應用

物聯網終端采用自適應選擇接收GPRS或3G/4G/5G信號和NB-IOT 相兼容的硬件設備，通過MQTT + TCP/UDP 協議來傳輸數據實現管網數據的實時監測。

基于物聯網終端的數據采集，通過NB-IOT傳輸模塊、相應的軟硬件結合，測量管網節點流量、壓力、溫度、電流、電壓等物理現象。數據采集系統整合信號、傳感器、信號調理、數據采集設備和應用軟件。

物聯網終端在供水管網中應用場景如下：

在管網數據采集中應用物聯網終端，由于它本身帶有一定的功能，所以在開發數據采集系統時，可以使系統小型化，同時方便與各種外設連接擴展，降低了開發成本[5]。

目前，3G/4G/5G、無線網絡是解決通信服務的常用手段，他們覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度快。與有線網絡相比，3G/4G/5G、無線網絡具有租用費用低、移動辦公不受地域制約等優點，通信方式更適合于各類數據采集業務。它的計費方式是以使用數據流量的多少或大數據的包年包月來計算。

物聯網時代，萬物互聯成為未來發展的方向，數據通信技術發展越來越好。NB-IOT具有低速率、低頻段、低功耗的特點，它擁有強而廣的信號，可以穿透墻壁、地面，可以覆蓋幾乎每一個角落，對于那些偏遠地區，就可以真正實現數據的正常傳輸了。選擇什么樣的通訊方式，用戶可以根據現場環境和實際要求具體選擇，各通信方式的優缺點對比如下[6]：

3物聯網終端的技術參數與功能

物聯網終端具備接口如下：

.電源接口：輸入DC3.1V～4.2V;

.下行接口：USART，TTL電平;

.調試接口：USART，TTL。（9600bps，8，N，1）。

用于設置模塊參數，支持《物聯網協議V1.0》：

.程序下載口：用于更新程序;

.GSM天線接口：直接安裝定制天線。

物聯網終端具備性能如下：

.工作溫度范圍：-20℃～+85℃;

.濕度范圍：0～95%，非冷凝;

.最大工作電流：不大于200mA;

.待機電流：不大于5μA;

.擦寫次數：E1級別，100000次;

.工業時鐘：精度5PPM;

.電池工作周期：3年（傳輸頻率24次/天）。

物聯網終端的主要功能：

（1）指定時間段密集采樣并存儲密集采樣的間隔流量;

（2）定時、定周期上傳，上傳時間可按指定時間段離散開，上傳周期，離散步長可自由設置，默認上傳周期為60分鐘;

（3）補傳功能，默認補傳間隔20分鐘，補傳次數2次;

（4）實時采集具有MODBUS通訊功能的各種水表、流量計，默認采集累計流量;

（5）低電，高流速報警;

（6）流量閥值報警，流量閥值可設;

（7）當前表讀數，電池電壓，NB-IoT（信號指標）、SNR（信噪比）、RSRP（參考信號接收質量）和CSQ（信號強度）上報;

（8）內嵌TCP/IP協議棧，通過NB-IoT網進入公共互聯網，終端無須主機即可通信，更加方便地集成到系統中;

（9）RTC服務器時間同步;

（10）溫度測量;

（11）電池電壓檢測;

（12）看門狗設計保證系統穩定運行;

（13）各端口具有良好的過流、 過壓、 防反接、 防錯接保護功能;

（14）窨井可靠通訊，匹配采用高增益天線，工業級NB-IoT模塊[7];

（15）鋰電池直接供電，超低功耗設計，休眠電流僅5μA。

4結束語

物聯網終端通過采集、轉換功能，把各種外部感知的數據進行匯集和處理，并將數據通過各種網絡接口方式傳輸到互聯網指定的中心處理平臺，再通過相關軟件進行分析，可以及時發現管網供水是否正常，是否存在漏點，并且可以測算出漏點區域位置和漏損情況，可以有效降低管網漏損率和產銷差率，從而節約水資源，節約成本。

參考文獻

[1] 中國電子技術標準化研究院等起草《物聯網系統接口要求》： GB/T35319-2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[2] 韓進，馬雙.基于SIM800C的GPRS數據傳輸系統設計[J].電子產品世界，2016（11）：39-42.

[3] 傅仁軒，肖連風.基于物聯網技術的新型數據采集與監控系統[J].網絡資源，2017（9）：3-6.

[4] 范有和.面向物聯網的數據采集終端設計與實現[D].武漢：武漢郵電科學研究院，2018.

[5] 楊紅艷.淺析供水企業如何實現扭虧增盈[J].現代工業經濟和信息化，2017（8）：19-21.

[6] 孫憲福.基于NB-IOT技術的定位終端軟件設計與實現[J].中國新通信，2018（15）：110.

[7] 杜雯.物聯網信息系統數據傳輸技術[J].工業控制計算機，2014 （8）：95-96.

作者簡介

張美麗（1974-），女;職稱：高級工程師，現就職單位：湖北省水利水電科學研究院，研究方向：水利信息化相關事宜。