尚大偉，龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(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，實現(xiàn)低碳供水實時調(diào)度，使管網(wǎng)服務(wù)壓力符合低碳節(jié)能原則并滿足管網(wǎng)末端供水壓力需要，已成為供水行業(yè)發(fā)展趨勢。

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，在末端節(jié)點采用控制柜控制設(shè)備開啟和關(guān)閉，采集數(shù)據(jù)上傳，由服務(wù)器對傳來的信息進(jìn)行分析計算，并將報警信息傳給客戶端顯示；來耀明等［2］提出應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云平臺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等將海量水務(wù)信息通過云平臺及時分析處理。為提升城市對水資源的監(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，采用LoRa 模組采集數(shù)據(jù)，由Lo-RaWAN 基站傳至云平臺，由管理員通過PC 機(jī)終端、手機(jī)APP 等進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和控制。

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，主要解決物聯(lián)網(wǎng)最后一公里通信問題。對當(dāng)下幾種主流的LPWA 技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比［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)對比

對幾種主流技術(shù)的綜合技術(shù)指標(biāo)對比發(fā)現(xiàn)，NB-IOT技術(shù)因其具有運營商牌照，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，非常適合智慧水務(wù)發(fā)展，將為實現(xiàn)水務(wù)高效管理，提升水務(wù)服務(wù)質(zhì)量與效率帶來積極的推動作用。

1 NB-IOT 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

NB-IOT 作為LPWA 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)計了基于NB-IOT 技術(shù)的照明系統(tǒng)，通過運營商的IOT 平臺對路燈進(jìn)行實時監(jiān)控，有效解決了照明行業(yè)的上線問題和通信問題，取得了很好的改善效果；孫迪科等［8］設(shè)計了基于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)計了基于NB-IOT 的智慧魚塘管理系統(tǒng)，根據(jù)水中融氧值自動啟停增氧機(jī)，實時上傳水溫、融氧和PH 值，實現(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。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智慧水務(wù)管理系統(tǒng)主要由終端設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲中心（服務(wù)器）和數(shù)據(jù)實時顯示的客戶端組成。其中，終端設(shè)備安裝在各個管道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處，實時采集管網(wǎng)壓力參數(shù)并上傳；數(shù)據(jù)傳輸主要通過采集節(jié)點嵌入NB-IOT 通信模組，采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IOT 基站傳輸?shù)絅B-IOT 的核心網(wǎng)；數(shù)據(jù)存儲中心（服務(wù)器）主要用來存儲設(shè)備發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，在存入數(shù)據(jù)庫的同時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到客戶端；客戶端主要通過地圖、曲線及表格等方式實現(xiàn)終端設(shè)備信息可視化，在出現(xiàn)壓力參數(shù)超限或超過波動閾值時報警提示，工作人員依據(jù)感知節(jié)點的實際情況調(diào)整測壓點參數(shù)，實現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)調(diào)度。

參考物聯(lián)網(wǎng)和云計算架構(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），主要用來采集設(shè)備的壓力信息、電池電壓、壓力波動等信息，通過NB 模塊上報至服務(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）。終端可以通過遠(yuǎn)程客戶端獨立設(shè)置以下工作參數(shù)：①現(xiàn)場設(shè)備序列號；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)備實時監(jiān)測管網(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、超下限或是超過規(guī)定的壓力突變值，以及超過限值），及時上傳管網(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BC35-G 模組上電，先調(diào)至自動入網(wǎng)模式，結(jié)合AT 命令采用los_nb_ini（t）函數(shù)先對模組進(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)議是一種無連接、無狀態(tài)協(xié)議，通信時才建立TCP 連接，通信結(jié)束后關(guān)閉連接，HTTP 協(xié)議自身不對請求和響應(yīng)之間的通信狀態(tài)進(jìn)行保存［11］。協(xié)議對話由設(shè)備發(fā)起請求給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)其發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。

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

Fig.3 HTTP request format圖3 HTTP 請求格式

HTTP 請求的報文起始行開頭采用GET/POST 的請求方法，隨后的字符串指明請求訪問的資源對象，最后的HTTP/1.1 即HTTP 的版本號，用來提示客戶端使用的HTTP 協(xié)議功能。本文請求報文格式如表2 所示。

Table 2 Format of HTTP 1.1 request message表2 HTTP1.1 請求報文格式

4 水務(wù)監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)

水務(wù)管理平臺采用B/S 模式，優(yōu)勢在于可通過一定的權(quán)限控制實現(xiàn)多用戶訪問，并且B/S 無需對客戶端升級，直接升級服務(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］，用戶可直接通過瀏覽器訪問水務(wù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)測平臺主要包含登錄界面、數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警管理、系統(tǒng)分組和系統(tǒng)設(shè)置等內(nèi)容，請求服務(wù)器數(shù)據(jù)顯示在界面上，并實現(xiàn)終端設(shè)備的調(diào)度功能。

4.1 系統(tǒng)注冊/登錄

系統(tǒng)分為普通用戶登錄和管理員登錄兩種模式。用戶在登錄系統(tǒng)之前需注冊個人信息，包括用戶名、密碼、手機(jī)號或郵箱等，待身份驗證成功后方可登錄到系統(tǒng)界面，身份驗證過程如圖4 所示。

Fig.4 User login process圖4 用戶登錄流程

4.2 系統(tǒng)主界面

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

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

用戶成功登錄后，可通過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)場的運行狀況；實時查看設(shè)備上報的數(shù)據(jù)并對時間區(qū)間進(jìn)行篩選，查看歷史數(shù)據(jù)曲線走勢，并通過歷史曲線反映過去1 天、1 周、1 月、3 月、6 月的壓力波動情況及最大值最小值，實現(xiàn)對未來運行情況的預(yù)測；通過設(shè)備告警及歷史報警次數(shù)，結(jié)合設(shè)備信息，更高效地發(fā)現(xiàn)并排查問題；通過設(shè)備列表修改設(shè)備基本信息，實現(xiàn)對設(shè)備的分組管理，允許用戶接入該系統(tǒng)靈活修改公司信息，提高系統(tǒng)的靈活性與實用性；管理員可以對用戶接入進(jìn)行審核管理。

4.3 測壓點監(jiān)控報警調(diào)度

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

出現(xiàn)報警狀態(tài)時，系統(tǒng)必須立即顯示報警測壓點的報警狀態(tài)（超上限、超下限或是超過規(guī)定的壓力突變值及超過多少）及目前該測壓點的實時壓力數(shù)值，實時顯示壓力數(shù)值的結(jié)束時間由調(diào)度人員選擇確定。

4.4 數(shù)據(jù)庫

本數(shù)據(jù)庫采用開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫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)量會特別大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢速度降低。為提高數(shù)據(jù)庫性能，采用分布式存儲，根據(jù)功能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行垂直切分，分別建立用戶信息表、設(shè)備動態(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、異常報警表、用戶接入信息表等，用于存放用戶信息、監(jiān)測主體基本信息、NB-IOT 終端設(shè)備基本信息、終端設(shè)備上傳的基本信息、客戶端修改信息、調(diào)度信息及異常報警信息。通過對大的數(shù)據(jù)表進(jìn)行拆分，實現(xiàn)讀寫分離，降低數(shù)據(jù)庫集群的訪問壓力。

5 結(jié)語

智慧水務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、NB-IOT 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了表格、地圖和曲線多種方式的數(shù)據(jù)可視化顯示，實現(xiàn)設(shè)備報警管理和終端設(shè)備管理等功能，并允許多用戶接入平臺，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?。同時，隨著NB 模塊的量產(chǎn)，NB 模組的成本會大幅降低，系統(tǒng)性價比提高，為系統(tǒng)推廣帶來一定價值。隨著用戶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。