基于物聯網的智能管控云平臺設計與實現

周騰飛

(新疆電子研究所股份有限公司,新疆,烏魯木齊 830013)

0 引言

地下水井的監測與對地下水的監測不同,由于在對水井的使用過程中,需要保證供水的正常進行,同時控制用水量以防止對井的過度使用導致水井干枯、地面沉降、地下水枯竭等危害。因此,對城市地下水的用量進行監測以及對地下井的管理尤為重要。城市地下水用水量監測是通過對城市地下井的數據進行收集和梳理,對地下井的狀況進行用井識別和評估,停用一些壞井及不符合政策要求的井。并根據井的情況設置定額水量,確定對地下水的使用是在合理的范圍,以更好的保護城市地下水資源。

隨著物聯網技術的不斷發展和智慧城市的興起,物聯網在各個領域都展示了重要的應用前景。物聯網技術借助傳感器的加裝實現了設備數據的自動化實時采集,避免了人工采集的不準確和延遲問題[1]。同時,采集到的數據通過數據挖掘和分析,可以提取出用戶所需的有價值的信息。在用電管理方面,物聯網技術能夠實時監測用戶剩余電量,并智能地控制電量閥門的開閉,從而實現對用電的實時監測和控制。這種技術的應用使得用戶能夠更加高效地使用電力資源,提高用電的效率[2]。在智能安防領域,物聯網技術在應用、傳輸和感知3個層面提供了多種可應用的技術。例如,通過應用RFID、各類感應探頭和數據采集裝置,可以實現對設備的實時門禁、報警和監控[3-4]。這種技術的應用大大提升了安防系統的運行效能和響應速度。此外,在供水管理領域也可以看到物聯網技術的應用。一些國內高校已經開始使用物聯網技術來實現供水管理的全過程的監測和控制[5]。

目前,在地下水供水的過程中存在一些問題。首先,機電井數量較大,供水用水種類可能復雜多樣,同時還存在一些偷水情況。其次,管網分布大,失水排查難、檢修難。再次,目前用水情況是先用水后繳付,用戶拖欠水費的問題時有發生,不利于資金回收。另外,對一些用戶來說,由于采用的是按時計費,水流速和流量的不同會導致同樣時間用水量的不同,從而產生收費不公平的現象。如何實現對用水的精細化管理,從而增加對水資源的保護以及用戶體驗還需更進一步探索。因此,有必要根據供水中的一些問題,建立一個完善的供水管理系統,同時隨著云平臺技術的日益成熟,使系統部署在云平臺上成為可能。[6]

1 系統設計

1.1 系統總體架構

物聯網的標準體系架構有3層,分別為感知層、傳輸層和應用層[7]。基于此,本文采用4層架構來進行設計,分別為智能感知層、傳輸層、平臺層和應用層。智能感知層主要利用傳感器對電流電壓、門禁信息、流量計等信息進行采集,同時把傳統計算機無法處理的輸出信息轉換為其易于處理的數字信息。傳輸層負責傳遞和處理感知層獲取的信息,通過LoRa等長距離通信技術將采集到的數據通過該層傳輸到平臺進行處理。平臺層主要對各種數據進行分析和處理,為應用層提供服務。應用層主要為用戶提供服務,如實時查看設備運行狀況、用水情況等。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

1.2 系統硬件設計

硬件系統主要由電源管理單元、過壓保護器、超聲波水表、門禁、通信模塊等部件組成,如圖2所示。其中,過壓保護器、電流監測裝置、自耦降壓啟動柜用來對水泵的運行狀況進行監測及控制。門禁裝置是保護設備以及水資源,防止人為破環及偷水情況的發生。物聯網控制器是其核心組件,本文選用226XP-12MR-DC-2AD-2CTL型,其工作電壓為24 V直流電,它能夠完成對整個物聯網終端設備工作的控制,并且能夠通過LoRa通信模塊將信息結果傳輸到平臺層進行展示處理,從而達到對地下水進行智能監控的目的。

圖2 系統結構圖

1.3 軟件系統設計

軟件系統由地下水管控云平臺Web網站、手機App構成,采用目前主流的Spring Boot架構對系統進行設計開發。

1.3.1 軟件開發環境

手機App基于Android 5.5并選用Android Studio+Android SDK做為軟件開發環境。Web網站的開發環境為IntelliJ IDEA,并利用HTML、JavaScript、CSS、jQuery、Ajax等常用的前端技術進行前端頁面設計,用Java開發語言進行后端開發[8]。數據庫采用輕量級的MySQL數據庫。

1.3.2 軟件功能模塊設計

根據系統功能需要原則,將系統劃分為如下幾個功能模塊。

(1) 數據可視化模塊

采用數據可視化技術,以GIS地理信息系統為基礎,將機電井信息、運行信息、告警信息等合理地布局在數據可視化界面中,采用多級可視化方案,從總體到細節全面展示現場情況。

(2) 系統管理模塊

對系統使用者進行分級管理,對用戶角色進行自定義,并根據角色設置其相應的權限。權限管理可對系統的每個頁面、每個操作按鈕進行用戶權限對應,讓不同的角色用戶快速找到自己所需的應用界面。同時,為了提高系統安全性,用戶需要在登錄后才能使用系統,登錄時,系統自動將登錄信息和數據庫中保存的信息進行比對,相同時才登錄成功。用戶在使用系統時,系統會以日志記錄每個用戶對系統的操作,從而可以在出現問題后對操作事件進行溯源。

(3) 在線監測模塊

系統管理員可以根據需要設定上報周期,將現場所采集信息定時上報至云服務器,服務器將數據包解析后存放至制定的數據庫內,數據監控程序運行時將最后一次接收到的機電井現場以列表方式展示。同時,用戶可以根據需要對某眼機電井或選擇的井群發出實時信息采集指令,該指令被對應的機電井終端接收后,現場將執行數據采集程序,并將此刻機電井的數據采集完成后發送至平臺,平臺管理者可看到機電井的及時數據。

(4) 機電井管理模塊

采用數據表單方式,實現對機電井基礎信息的增、刪、改、查的管理工作,同時判斷水位的高度以確定該井的好壞程度。

(5) 智能運維模塊

機電井現場通信模塊每分鐘與平臺進行一次心跳通信,確保現場終端與平臺的鏈接鏈路正常,若現場供電故障、4G通信鏈路故障、平臺與機電井在30 min內沒有重新建立心跳通信,實時信息采集模塊將輸出通信失聯報警信息。

智能運維模塊是一種通過運用人工智能技術來降低人工判斷和干預的輔助工具,旨在提高系統的運行效能和可靠性。主要負責平臺指令遠程斷電停泵、現場水泵的啟停授權、配置運行參數維護、計量設備安裝及維護記錄、物聯網通信卡到期管理、現場故障的記錄及處置記錄、設備故障的智能分析、管理機電井巡查執法記錄及相應的報表統計。此模塊可實現智能判斷設備運行情況以及是否有無疑似“盜水”現象,同時能夠下發停泵指令,達到對水泵的控制。

(6) 費用征收管理模塊

費用征收管理模塊對水費進行水價設置,系統根據用戶使用情況顯示其應繳信息。用戶可以在此平臺進行用水量、水價政策等查詢,同時可以在此模塊對水費進行繳納。不同的用戶根據其用水及繳費情況將有不同的受信額度,若超過受信額度自降耦合裝置將關閉水泵,用戶只有在繳費后才能用水。

(7) 短信服務模塊

短信服務模塊是在云服務平臺中內置的短信通信功能,使用時先在系統中編輯相應的短信服務模板庫,在系統運行的過程中條件觸發發送短信,為系統管理方、維護方、現場執法方、水資源使用方提供優質的服務。此模塊能夠實現對短信內容分類管理,提供各類報警通知服務。

(8) 數據分析及報表上傳模塊

數據分析及報表上傳模塊主要完成對地下水采掘數據的匯總分析,根據設定周期自動統計該時間段的用水報表,使管理者對年度計劃采掘水量、當前累計用水量、當前確權水量有明確的感知,并為下一步用水計劃、節水措施提供數據支持。

2 系統測試

2.1 通訊測試

判斷系統通信穩定性的主要指標為丟包率。在本次測試中,對3個傳感器節點進行丟包率測試,在24 h內向平臺發送同一數據,對接收情況進行查看。結果如表1所示。

表1 丟包率結果表

根據丟包率公式可以計算得到丟包率為1.4%,能夠滿足對數據實時準確的采集,能夠滿足系統要求。

2.2 系統平臺測試

(1) 數據可視化界面

數據可視化頁面可將機電井的各項信息以及各種用水信息進行全面直觀的展示,同時可以根據需要進入下級可視化界面進行信息查看。

(2) 在線監測模塊

在線監測界面可以對需要進行在線監測的機電井信息進行搜索查看,該頁面顯示該機電井的設備詳細信息以及實時運行信息,同時可以下發開停井指令控制水泵的運行狀態。

(3) 系統管理模塊

系統管理模塊可以對系統用戶進行增、刪、改、查操作,設置不同用戶的角色,同時可以對用戶角色進行管理,不同角色對應不同的權限。用不同角色的賬號進行登錄,顯示不同的功能模塊。

(4) 短息服務模塊

短信服務模塊可以根據不同角色對發送短信的用戶進行管理,使每種角色接收到其需要知道的短信信息。同時,可以對警報的閾值進行設定,若超出閾值,則進行報警短信通知。

(5) 數據分析模塊

在數據分析模塊,選擇需要分析的數據,根據需要進行設置,可查看得到相應的圖表結果。點擊導出,這些圖表將以對應的形式導出保存。

3 總結

針對目前地下水資源智能化管控平臺缺失,本文把物聯網技術運用到地下水供水的管理中,提出了基于物聯網技術的地下水智能管控云平臺,平臺包括機電井管理、在線監測、數據可視化、運維管理、數據分析等模塊,實現對水資源的智能管控、全方位的展示用水信息,為決策者提供數據分析等數據依據。目前平臺已上線,正處于試運行階段,平臺運行穩定,提高了對地下水的智能化管理,具有實用價值和推廣價值,獲取的用水數據也為之后研究奠定了基礎。