基于NB-IOT技術(shù)的智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚大偉，龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

智慧水務(wù)作為智慧城市信息化建設(shè)的一部分，實(shí)現(xiàn)低碳供水實(shí)時(shí)調(diào)度，使管網(wǎng)服務(wù)壓力符合低碳節(jié)能原則并滿(mǎn)足管網(wǎng)末端供水壓力需要，已成為供水行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

為解決城市二次供水難題，鄭浩等［1］提出基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在末端節(jié)點(diǎn)采用控制柜控制設(shè)備開(kāi)啟和關(guān)閉，采集數(shù)據(jù)上傳，由服務(wù)器對(duì)傳來(lái)的信息進(jìn)行分析計(jì)算，并將報(bào)警信息傳給客戶(hù)端顯示；來(lái)耀明等［2］提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等將海量水務(wù)信息通過(guò)云平臺(tái)及時(shí)分析處理。為提升城市對(duì)水資源的監(jiān)管與治理，卿勇軍等［3］提出基于LoRa的智慧水務(wù)系統(tǒng)，利用LoRa 高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗、支撐大規(guī)模組網(wǎng)等特點(diǎn)，采用LoRa 模組采集數(shù)據(jù)，由Lo-RaWAN 基站傳至云平臺(tái)，由管理員通過(guò)PC 機(jī)終端、手機(jī)APP 等進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢(xún)和控制。

低功耗廣域（Low Power Wide Area，LPWA）作為一種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，專(zhuān)為低功耗、低帶寬、遠(yuǎn)距離、大連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，主要解決物聯(lián)網(wǎng)最后一公里通信問(wèn)題。對(duì)當(dāng)下幾種主流的LPWA 技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比［4］，結(jié)果如表1 所示。

Table 1 Comparison of PWA mainstream technical indicators表1 PWA 主流技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

對(duì)幾種主流技術(shù)的綜合技術(shù)指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，NB-IOT技術(shù)因其具有運(yùn)營(yíng)商牌照，可與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)，且具有低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接等優(yōu)勢(shì)，非常適合智慧水務(wù)發(fā)展，將為實(shí)現(xiàn)水務(wù)高效管理，提升水務(wù)服務(wù)質(zhì)量與效率帶來(lái)積極的推動(dòng)作用。

1 NB-IOT 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

NB-IOT 作為L(zhǎng)PWA 技術(shù)的一種，只消耗約180KHz的頻段，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新技術(shù)。NB-IOT 使用license 頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等3 種部署方式，可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存［5］，在公共事業(yè)、智慧城市、消費(fèi)電子、農(nóng)業(yè)與環(huán)境等行業(yè)均有一定應(yīng)用［6］。

曲井致等［7］設(shè)計(jì)了基于NB-IOT 技術(shù)的照明系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的IOT 平臺(tái)對(duì)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效解決了照明行業(yè)的上線(xiàn)問(wèn)題和通信問(wèn)題，取得了很好的改善效果；孫迪科等［8］設(shè)計(jì)了基于NB-IOT 的油煙監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和北斗定位模塊，為城市的餐飲油煙治理提供了行之有效的解決方法；岳虹宇等［9］、安東等［10］設(shè)計(jì)了基于NB-IOT 的智慧魚(yú)塘管理系統(tǒng)，根據(jù)水中融氧值自動(dòng)啟停增氧機(jī)，實(shí)時(shí)上傳水溫、融氧和PH 值，實(shí)現(xiàn)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效節(jié)約了資源，降低了養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智慧水務(wù)管理系統(tǒng)主要由終端設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心（服務(wù)器）和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的客戶(hù)端組成。其中，終端設(shè)備安裝在各個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處，實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)壓力參數(shù)并上傳；數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)嵌入NB-IOT 通信模組，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IOT 基站傳輸?shù)絅B-IOT 的核心網(wǎng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心（服務(wù)器）主要用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，在存入數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到客戶(hù)端；客戶(hù)端主要通過(guò)地圖、曲線(xiàn)及表格等方式實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備信息可視化，在出現(xiàn)壓力參數(shù)超限或超過(guò)波動(dòng)閾值時(shí)報(bào)警提示，工作人員依據(jù)感知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況調(diào)整測(cè)壓點(diǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)調(diào)度。

參考物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算架構(gòu)，從信息處理角度，智慧水務(wù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)依次劃分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1 所示［10］。

Fig.1 Overall architecture of smart water management system圖1 智慧水務(wù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議制定

3.1 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能

終端設(shè)備主要由壓力采集傳感器、主芯片、NB-IOT 模塊和供電模塊組成（后續(xù)還可根據(jù)需要添加流量、溫度傳感器等），主要用來(lái)采集設(shè)備的壓力信息、電池電壓、壓力波動(dòng)等信息，通過(guò)NB 模塊上報(bào)至服務(wù)器。終端設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

Fig.2 Structure of terminal equipment圖2 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

終端設(shè)備通過(guò)串口通信與PC 通信設(shè)置工作參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理上傳給遠(yuǎn)程服務(wù)器（即數(shù)據(jù)中心）。終端可以通過(guò)遠(yuǎn)程客戶(hù)端獨(dú)立設(shè)置以下工作參數(shù)：①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備序列號(hào)；②上傳數(shù)據(jù)的ip 地址；③管網(wǎng)壓力工作上下限，壓力波動(dòng)檻值；④正常數(shù)據(jù)上傳間隔；⑤異常數(shù)據(jù)上傳次數(shù)。

終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力和電池電壓。管網(wǎng)壓力在正常工作范圍內(nèi)，按設(shè)定的數(shù)據(jù)上傳間隔定時(shí)上傳數(shù)據(jù)（壓力）給遠(yuǎn)程服務(wù)器；管網(wǎng)壓力不在正常范圍（即超上限、超下限或是超過(guò)規(guī)定的壓力突變值，以及超過(guò)限值），及時(shí)上傳管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，具體上傳數(shù)據(jù)間隔和次數(shù)可以設(shè)定。

3.2 NB 模組選型及工作原理

本系統(tǒng)采用的模組為BC35-G。BC35-G 是一款高性能、低功耗的NB-IOT 模塊，采用LCC 封裝，具有23.6mm×19.9mm×2.2mm 的超小尺寸，支持Pv4/IPv6/UDP/CoAP/Lw M2M/Non-IP/DTLS/TCP/MQTT 協(xié)議，便于嵌入到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，能很好地滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

本文采用TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方式，對(duì)BC35-G 模組上電，先調(diào)至自動(dòng)入網(wǎng)模式，結(jié)合AT 命令采用los_nb_ini（t）函數(shù)先對(duì)模組進(jìn)行初始化配置，完成模組附著附近基站網(wǎng)絡(luò)后，采用data_collection_task（）完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，采用data_report_task（）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 終端設(shè)備通信協(xié)議

NB 模組按照時(shí)間間隔上傳數(shù)據(jù)，為保證傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，采用目前應(yīng)用最廣泛的HTTP1.1（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議）協(xié)議作為硬件與服務(wù)器的通信協(xié)議。HTTP 協(xié)議是一種無(wú)連接、無(wú)狀態(tài)協(xié)議，通信時(shí)才建立TCP 連接，通信結(jié)束后關(guān)閉連接，HTTP 協(xié)議自身不對(duì)請(qǐng)求和響應(yīng)之間的通信狀態(tài)進(jìn)行保存［11］。協(xié)議對(duì)話(huà)由設(shè)備發(fā)起請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)其發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。

HTTP 請(qǐng)求由請(qǐng)求行、請(qǐng)求頭、空行3 部分構(gòu)成，請(qǐng)求正文格式如圖3 所示［12］。

Fig.3 HTTP request format圖3 HTTP 請(qǐng)求格式

HTTP 請(qǐng)求的報(bào)文起始行開(kāi)頭采用GET/POST 的請(qǐng)求方法，隨后的字符串指明請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)的資源對(duì)象，最后的HTTP/1.1 即HTTP 的版本號(hào)，用來(lái)提示客戶(hù)端使用的HTTP 協(xié)議功能。本文請(qǐng)求報(bào)文格式如表2 所示。

Table 2 Format of HTTP 1.1 request message表2 HTTP1.1 請(qǐng)求報(bào)文格式

4 水務(wù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

水務(wù)管理平臺(tái)采用B/S 模式，優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)一定的權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，并且B/S 無(wú)需對(duì)客戶(hù)端升級(jí)，直接升級(jí)服務(wù)器即可。服務(wù)器選擇基于Windows 系統(tǒng)下Apache+MySQL+PHP 網(wǎng)站服務(wù)器架構(gòu)［13-15］，用戶(hù)可直接通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)水務(wù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包含登錄界面、數(shù)據(jù)查詢(xún)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)警管理、系統(tǒng)分組和系統(tǒng)設(shè)置等內(nèi)容，請(qǐng)求服務(wù)器數(shù)據(jù)顯示在界面上，并實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的調(diào)度功能。

4.1 系統(tǒng)注冊(cè)/登錄

系統(tǒng)分為普通用戶(hù)登錄和管理員登錄兩種模式。用戶(hù)在登錄系統(tǒng)之前需注冊(cè)個(gè)人信息，包括用戶(hù)名、密碼、手機(jī)號(hào)或郵箱等，待身份驗(yàn)證成功后方可登錄到系統(tǒng)界面，身份驗(yàn)證過(guò)程如圖4 所示。

Fig.4 User login process圖4 用戶(hù)登錄流程

4.2 系統(tǒng)主界面

成功獲取登錄權(quán)限進(jìn)入首頁(yè)，系統(tǒng)主界面包含地圖顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)、設(shè)備及用戶(hù)管理等，主頁(yè)面組成框架如圖5所示。

Fig.5 System main page frame圖5 系統(tǒng)主頁(yè)面框架

用戶(hù)成功登錄后，可通過(guò)地圖查看其所管理的設(shè)備位置及當(dāng)前設(shè)備信息，了解設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況；實(shí)時(shí)查看設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)并對(duì)時(shí)間區(qū)間進(jìn)行篩選，查看歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)走勢(shì)，并通過(guò)歷史曲線(xiàn)反映過(guò)去1 天、1 周、1 月、3 月、6 月的壓力波動(dòng)情況及最大值最小值，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)；通過(guò)設(shè)備告警及歷史報(bào)警次數(shù)，結(jié)合設(shè)備信息，更高效地發(fā)現(xiàn)并排查問(wèn)題；通過(guò)設(shè)備列表修改設(shè)備基本信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的分組管理，允許用戶(hù)接入該系統(tǒng)靈活修改公司信息，提高系統(tǒng)的靈活性與實(shí)用性；管理員可以對(duì)用戶(hù)接入進(jìn)行審核管理。

4.3 測(cè)壓點(diǎn)監(jiān)控報(bào)警調(diào)度

數(shù)據(jù)顯示采用表格、地圖等多種形式，顯示新建測(cè)壓點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)位置。一般正常運(yùn)行狀態(tài)下，各測(cè)壓點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)不實(shí)時(shí)刷新；出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)時(shí)，立即通過(guò)聲、光等報(bào)警信息顯示測(cè)壓點(diǎn)的報(bào)警狀態(tài)（是低限還是高限報(bào)警）及壓力數(shù)值，實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)值的結(jié)束時(shí)間由調(diào)度人員選擇確定。報(bào)警時(shí)，表格、地圖上的相應(yīng)測(cè)壓點(diǎn)圖標(biāo)通過(guò)閃爍等方式進(jìn)行提醒，以便調(diào)度人員及時(shí)方便地了解壓力報(bào)警區(qū)域和位置。

出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)必須立即顯示報(bào)警測(cè)壓點(diǎn)的報(bào)警狀態(tài)（超上限、超下限或是超過(guò)規(guī)定的壓力突變值及超過(guò)多少）及目前該測(cè)壓點(diǎn)的實(shí)時(shí)壓力數(shù)值，實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)值的結(jié)束時(shí)間由調(diào)度人員選擇確定。

4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

本數(shù)據(jù)庫(kù)采用開(kāi)源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，采用InnoDB 引擎。隨著終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)的不斷增加，數(shù)據(jù)量會(huì)特別大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢(xún)速度降低。為提高數(shù)據(jù)庫(kù)性能，采用分布式存儲(chǔ)，根據(jù)功能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行垂直切分，分別建立用戶(hù)信息表、設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表、設(shè)備靜態(tài)信息表、設(shè)備數(shù)據(jù)調(diào)度表、異常報(bào)警表、用戶(hù)接入信息表等，用于存放用戶(hù)信息、監(jiān)測(cè)主體基本信息、NB-IOT 終端設(shè)備基本信息、終端設(shè)備上傳的基本信息、客戶(hù)端修改信息、調(diào)度信息及異常報(bào)警信息。通過(guò)對(duì)大的數(shù)據(jù)表進(jìn)行拆分，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)分離，降低數(shù)據(jù)庫(kù)集群的訪(fǎng)問(wèn)壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、NB-IOT 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了表格、地圖和曲線(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)可視化顯示，實(shí)現(xiàn)設(shè)備報(bào)警管理和終端設(shè)備管理等功能，并允許多用戶(hù)接入平臺(tái)，具有很高的通用性。NB-IOT 作為新一代最有潛力的技術(shù)，相比其它LPWA 技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｍ瑫r(shí)，隨著NB 模塊的量產(chǎn)，NB 模組的成本會(huì)大幅降低，系統(tǒng)性?xún)r(jià)比提高，為系統(tǒng)推廣帶來(lái)一定價(jià)值。隨著用戶(hù)的不斷接入和管理設(shè)備的不斷增多，后續(xù)將不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的承載性能并提升Web 服務(wù)的吞吐量，保證系統(tǒng)優(yōu)良的工作性能。