李妹?王?琨?張容娟

摘要：為了改善高職院校的實踐教學(xué)環(huán)境，加快培養(yǎng)智能互聯(lián)行業(yè)高素質(zhì)技能型人才，根據(jù)智慧水利系統(tǒng)原理，開發(fā)了一種基于虛擬現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)。圍繞智能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)核心能力和智慧水利系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計、功能設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、前端設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)后臺管理設(shè)計與實現(xiàn)。沙盤設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過實訓(xùn)平臺上傳到后臺管理系統(tǒng)，利用多指標、多維度的算法分析能力，實現(xiàn)對智慧水利沙盤各設(shè)備實時控制和3D場景聯(lián)動等。

關(guān)鍵詞：智慧水利；虛擬仿真；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

一、前言

水是人類生存的基礎(chǔ)資源，隨著人口和經(jīng)濟的增長，水資源需求不斷增加，可用水的壓力不斷增加。尤其是干旱和水資源缺乏的地區(qū)，供需矛盾更加嚴峻。隨著全球氣候變暖，水污染問題加重，對水資源的可持續(xù)使用提出了更高的要求。智慧水利屬于智慧城市的一個部分，在百姓生活中占有重要地位。智慧水利是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用在水利領(lǐng)域，實現(xiàn)對水利對象的互聯(lián)感知和智能控制，從而切實提高水利工程應(yīng)用和管理[1]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜且前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域。這種系統(tǒng)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和高級數(shù)據(jù)分析技術(shù)，創(chuàng)建一個或多個實體水利系統(tǒng)的虛擬副本，即其“數(shù)字孿生”。通過這種方式，可以實現(xiàn)對水資源管理、供水、污水處理等方面的實時監(jiān)控、分析和預(yù)測，以提高效率、降低成本并優(yōu)化決策過程[2]。本文設(shè)計了一套實用、可靠的實時智慧水利虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，沙盤作為一個整體，布置完成后可以獨立演示智慧水利功能，比如水質(zhì)監(jiān)測、水位檢測、滲漏檢測、環(huán)境檢測、能夠補水、能夠開閘放水、能夠報警等[3]。實訓(xùn)項目實現(xiàn)專業(yè)課程的產(chǎn)教融合，凸顯職業(yè)院校技能人才培養(yǎng)的特色。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計

智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)是一種基于虛擬現(xiàn)實和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水利管理工具，旨在模擬和分析區(qū)域的水資源。系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建一個三維模型，模擬水資源系統(tǒng)、水庫、水源地等關(guān)鍵因素。用戶可以在虛擬環(huán)境中觀察和探索這些因素，了解水質(zhì)狀況和運行狀態(tài)。使用水利沙盤模擬數(shù)據(jù)集成與監(jiān)測，系統(tǒng)可以集成各種實時的水務(wù)數(shù)據(jù)，如監(jiān)測站數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)等。通過數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，用戶可以實時了解水資源的情況、水質(zhì)變化、水位波動等重要信息。

系統(tǒng)開發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、無線通信技術(shù)的應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以讓學(xué)生了解智能互聯(lián)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提升工程應(yīng)用能力。圖1中，智慧水利沙盤中的感知單元均采用工業(yè)級傳感器，采用RS485接口，測量精度高、耐高溫潮濕等。

三、系統(tǒng)主要模塊設(shè)計與實現(xiàn)

（一）硬件設(shè)計

系統(tǒng)需要演示智慧水利的功能：水質(zhì)監(jiān)測、水位檢測、滲漏檢測、環(huán)境檢測、能夠補水、裂縫計、能夠開閘放水、雨量傳感器、能夠報警等。沙盤的硬件框架設(shè)計如圖2所示。串口服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，可以實現(xiàn)485網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸[4]。終端觸摸屏是常用的一種智能化設(shè)備，采用1920×1200dpi分辨率，10.1英寸屏幕，運行在Windows操作系統(tǒng)上。它可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對沙盤環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和控制。

（二）數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫主要用于仿真沙盤中溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、PM2.5濃度檢測傳感器、液位傳感器、降雨檢測傳感器、二氧化碳濃度傳感器等硬件傳感器最新歷史數(shù)據(jù)的存儲，以及對燈光、水泵、閘門控制狀態(tài)的記錄。主要數(shù)據(jù)表如下。

第一，空氣、裂縫檢測表（t_air_rent）：ID標識、二氧化碳濃度、光照強度、裂縫傳感器數(shù)據(jù)、上行數(shù)據(jù)時間。

第二，裂縫狀態(tài)記錄表（t_crack_status）：ID標識、狀態(tài)、上行數(shù)據(jù)時間。

第三，閘門狀態(tài)記錄表（t_gate_status）：ID標識、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時間。

第四，水泵狀態(tài)記錄表（t_pump_status）：ID標識、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時間。

第五，光照狀態(tài)記錄表（t_light_status）：ID標識、狀態(tài)、數(shù)據(jù)上行時間。

第六，用戶閾值自定義表（t_user）：ID標識、溫度、PM2.5、水位、水質(zhì)、操作時間。

第七，沙盤環(huán)境數(shù)據(jù)檢測表（table_env）：ID標識、PM2.5濃度、雨雪檢測、降雨量檢測、上行數(shù)據(jù)時間。

第八，沙盤溫濕度檢測表（table_temp_hum）：ID標識、溫度、濕度、上行數(shù)據(jù)時間。

（三）前端設(shè)計

前端開發(fā)框架選用Vue2.0，Vue會監(jiān)聽數(shù)據(jù)的變化，從而自動刷新渲染頁面。虛擬仿真系統(tǒng)需要實現(xiàn)3D場景，如圖3所示，3D場景功能主要實現(xiàn)天氣切換、模型旋轉(zhuǎn)控制、視角切換、場景模型添加點擊事件等信息展示，還可以模擬水閘開啟與關(guān)閉、水泵開啟與關(guān)閉，同時，所有傳感器數(shù)據(jù)虛擬場景一鍵展示。

（四）底層設(shè)備通信協(xié)議

傳感器和控制設(shè)備之間的通信選用MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議適用于低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，且易于實現(xiàn)[5]。協(xié)議配置的主題分為：up（上行數(shù)據(jù)主題）和down（下行數(shù)據(jù)主題）。傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議和狀態(tài)上傳數(shù)據(jù)協(xié)議選擇up主題，狀態(tài)下行數(shù)據(jù)協(xié)議選擇down主題。數(shù)據(jù)大屏能控制沙盤模型補水/開閘（對應(yīng)水泵與水閘）、燈光和裂縫模擬，能夠下行控制傳感器開啟與關(guān)閉，控制返回傳感器修改后的狀態(tài)，初始化時也應(yīng)顯示數(shù)據(jù)上傳兩個控制繼電器的狀態(tài)。

（五）后臺開發(fā)設(shè)計

后臺管理使用Java程序?qū)崿F(xiàn)MQTT服務(wù)訂閱，對MQTT服務(wù)進行消息接收與下發(fā)控制。編寫對應(yīng)的底層設(shè)備消息接收與下發(fā)控制接口，實現(xiàn)可視化大屏前端訪問后端數(shù)據(jù)接口，從而獲取沙盤各傳感器上行數(shù)據(jù)進行展示，UI控件下行可以控制底層終端設(shè)備。后臺Java程序開發(fā)框架選擇Spring Boot技術(shù)框架，底層設(shè)備歷史數(shù)據(jù)存儲選用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，底層設(shè)備數(shù)據(jù)接收的下發(fā)數(shù)據(jù)通信協(xié)議選用MQTT協(xié)議[6]。

四、系統(tǒng)運行調(diào)試

智慧水利虛擬仿真實訓(xùn)平臺將沙盤設(shè)備各元素進行一對一還原復(fù)刻，提供水利沙盤全景虛擬模型視圖，支持360度全局視角瀏覽模型，做到對智慧水利數(shù)據(jù)的宏觀把控。對水庫大壩中的元素進行微觀細化處理，例如，支持放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、點選等操作。平臺通過與沙盤設(shè)備實時數(shù)據(jù)上傳，讓沙盤設(shè)備能夠自啟上云，精準、全面、實時地獲取細粒度數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的解析、清洗、加工、聚合、緩存，提供場景交互功能，實現(xiàn)對沙盤各設(shè)備實時控制、本地場景聯(lián)動、邊云協(xié)同等。圖4為智慧水利虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)實物圖，從中可以看到智能控制系統(tǒng)，配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采集空氣溫度濕度、二氧化碳、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，將采集到的這些數(shù)據(jù)上傳到智慧水利虛擬仿真實訓(xùn)平臺中，管理員可以通過平臺對數(shù)據(jù)進行查看和分析。

智慧水利虛擬仿真實訓(xùn)管理平臺如圖5所示。通過環(huán)境檢測設(shè)備，實現(xiàn)對溫濕度、光照等進行感知。將反饋的數(shù)據(jù)生成可視化沙盤，具備檢測水質(zhì)、天氣等功能。

五、結(jié)語

系統(tǒng)功能開發(fā)以安全、智能、綠色為原則，后臺基于Spring Boot技術(shù)框架實現(xiàn)可視化大屏前端訪問后端數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)聚集嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、軟件開發(fā)等新一代信息技術(shù)實現(xiàn)智能互聯(lián)，適用于電子信息、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等專業(yè)實訓(xùn)課程使用，也能基于該平臺進行升級改造用于“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新使用。

參考文獻

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[6]王森，王霞雨，賈文豪，等.水庫智慧調(diào)度研究進展與展望[J].人民珠江，2023，44（10）：25-34.

作者單位：福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

責(zé)任編輯：張津平