基于NB-IOT的城市供水管網監測系統設計

韓旭 沈永濱

摘 ?要：隨著社會與經濟的高速發展，城市水資源對人民生活與生產日益重要，實現供水管網的遠程檢測與智能分析意義重大。本系統由遠程監測終端RTU、NB-IOT窄帶蜂窩網絡和數據監視界面三部分組成。分別實現對壓力、溫度等參數的采集;移動互聯網的遠程數據傳輸;數據管理、歷史數據曲線的顯示與查詢。實現最優化的生產調度管理，實現遙測、遙控、故障報警、遠程查詢控制、管網資源統計等功能。

關鍵詞：NB-IOT;MSP430;OneNET;環境監測

中圖分類號：TU991.61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0005-03

Abstract： With the rapid development of society and economy， urban water resources are becoming more and more important to people's life and work. It is of great significance to realize the remote detection and intelligent analysis of water supply network. The system consists of three parts： remote monitoring terminal RTU， NB-IOT narrowband cellular network and data monitoring interface， which separately realize the collection of the pressure， the temperature and other parameters， the remote data transmission of the mobile Internet， the data management， the historical data curve display and the query. The optimization of production scheduling management is realized， and the functions of telemetry， telecontrol， fault alarm， remote query control and pipe network resource statistics are realized.

Keywords： NB-IOT; MSP430; OneNET; environmental monitoring

1 概述

國內從20世紀80年代開始，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數據采集與監視控制系統）系統在監測行業得到了廣泛的應用。它可以實時采集現場數據，對現場進行本地或遠程的自動控制，對供水過程實時監視，為生產調度和管理提供必要的參考數據[1]。

2 系統設計總方案

本系統設計基于德州儀器（TI）的低功耗系列單片機MSP430F149，搭配芯訊通無線科技（SIMCom Wireless Solutions）的SIM7000C通信模塊，工業級溫度傳感器PT100和壓力變送器，構成數據采集與通信鏈路的硬件結構。結合中移物聯網的OneNET云平臺，進行設備管理，數據傳輸，命令交互等操作。在云平臺的基礎上，根據實際需求，搭建上層應用，可在PC端或PE端應用上查看實時數據。設計方案總框圖如圖1所示。

3 硬件系統設計方案

3.1 MSP430F149

MSP430是德州公司開發的一類具有16位總線的低功耗MCU（Microcontroller Uni，微控制單元），使用了16位精簡指令集（RISC）的架構，內置定時/計數器，12位模數轉換器（ADC）與串行通信接口。該類微控制器主要特點為超低功耗，共有五種工作模式可供配置，各模式分別在3V和2.2V電源供電時的工作電流狀態如圖2所示。

3.2 SIM7000C

SIM7000C模塊是基于高通 MDM9206平臺開發的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IOT）模塊。本設計中數據通信部分采用SIM7000C的NB-IOT功能。這是一種基于蜂窩網絡的物聯網技術， 可直接部署于現有的UMTS網絡、GSM網絡、LTE網絡。相較于其他物聯網技術，NB-IOT芯片整體上采用了低功耗及低成本的設計方式。如采用180kHz窄帶系統，降低基帶復雜度，減小工作電流;簡化協議棧，減少片內FLASH/RAM，降低耗電量;采用半雙工模式，比起全雙工所需的元件，成本低且降低電池能耗等[2]。本設計的背景通信需要速率低于100kbps，屬于低速業務，更加適合使用NB-IOT這種窄帶寬通信方式。SIM7000C芯片支持功能豐富，如圖3所示。

3.3 溫度傳感器

3.4 壓力變送器

4.2.2 數據包封裝

將不同待測量的參數分別傳送給不同的數據流，需要借用JavaScript中JSON字符串的格式，可使用在線的JS字符串格式化檢驗工具。JS字符串的格式中聲明了操作，數據流名稱，“at”時間和“value”數據值，需將攜帶信息的JS字符串封裝到API調用函數中。

使用API函數“POST”，即可更新數據流。如：

“POST http：//api.heclouds.com/devices/ device ID/datastreams/speed HTTP/1.1”

此條指令指定了API函數的使用，域名，設備ID，協議類型等信息。此外還需發送api-key，主機HOST，字符串長度等。數據包格式要求嚴格，每個空格，換行都要十分準確。在正確的發送請求后，平臺會返回“succ”，否則收到“errno”，及錯誤的原因。

完成以上操作后，可使用串口調試助手，發送以上數據包，驗證數據傳輸是否成功。使用USB轉TTL模塊給SIM模塊供電和串口通信。熟悉API函數后，將內容寫入到單片機中，使用單片機的串口與SIM7000C模塊進行通信。

4.2.3 AT指令集

AT（Attention）指令是應用于終端設備與PC應用之間的連接與通信的指令。是以字母“AT”作為開頭字符的字符串，每一條AT指令的下達都有對應的響應。SIM7000C模塊使用AT指令集操作，如圖7所示。

4.3 OneNET云平臺配置[5]

4.3.1 基本配置

在平臺注冊賬號后，進入開發者選項，添加一個公開協議產品。填入基本信息后，選擇設備接入協議為HTTP。在產品中添加設備，配置完成后，記下Master-API， device ID等參數，加入到數據包中即可。在數據管理面板中，可以對數據流進行處理，如添加，刪除，更名或改變單位。在RTU上傳數據的程序運行后，刷新數據流，可觀察到數據點被上傳到平臺，時延約5秒。此時設備處于在線狀態，在設備概況界面，可看到歷史數據點和今日新增數據點的計數，界面如圖8所示。

4.3.2 觸發器設置

為實現對數據的監控功能，可為數據流添加觸發器功能。在觸發器管理界面中選擇添加觸發器。輸入基本信息后，選擇關聯的設備和觸發數據流，選擇的數據流可以進行多種數據觸發方式。簡單的如大于小于，等于不等于。也可以進行區間判斷，如進入或離開某個區間，或保持在某個區間內。還有數據變化，掉線時長和在線時長的觸發方式。觸發結果有兩種，郵箱或者URL（統一資源定位符）。當滿足觸發條件時，平臺可向郵箱或者服務器發送信息，達到數據監控的目的。

4.3.3 數據監測顯示界面

為實現實時數據監測等功能，使用OneNET平臺提供的應用功能，可大大降低開發成本。選擇應用管理界面，新建獨立應用，可以看到平臺提供的功能組件，直接拖拽加入，所見即所得。組件庫提供有文本，圖片，折線圖，柱狀圖，儀表盤，地圖等顯示組件，還有控制組件如旋鈕，開關，命令等。顯示組件可以直接選擇連接的數據流，可以使用儀表盤直接顯示實時數據，也可以用折線圖顯示歷史數據，變化曲線等。使用地圖組件可以根據上傳的GPS數據顯示實時位置和移動軌跡。使用控制組件可以通過程序，向RTU發送數字量或模擬量，進而實現RTU的遠程控制。數據監測界面如圖9所示。

5 結束語

對城市供水管網系統進行了設計，應用了MSP430F149作為RTU的微控制器，改進了傳統的單片機的功耗高，數據計算處理能力弱的問題。采用了NB-IOT作為通信方式，改進了傳統數據發送硬件模塊的功耗高，帶寬浪費等問題。使用了OneNET物聯網云平臺作為服務器，降低了開發成本。

參考文獻：

[1]張一凡，崔建國，張峰，等.物聯網和云計算下的城市供水管網漏損控制系統設計[J].華僑大學學報（自然科學版），2019，1：34-40.

[2]劉克清，周俊，李世光，等.NB-IoT低功耗技術及功率參數配置研究[J].移動通信，2018，12：32-36.

[3]顧吉林，劉淼，耿楊，等.基于PT100的高精度溫度測量電路的設計[J].測控技術，2018，5：101-103.

[4]喬立永，石成英，李進軍.擴散硅壓力傳感器特性分析及其應用舉例[J].儀器儀表用戶，2007，5：49-51.

[5]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNET云平臺的環境監測系統[J].電子技術與軟件工程，2018，24：51-52.