基于物聯網技術的在線排水管網監測系統

陳兆豐，萬錦珍，顏作濤，陳道來，劉蘇鋒，陳國俊

（無錫太湖學院，江蘇 無錫 214064）

0 引 言

排水管網系統是指輸送和排放污水、廢水的管道以及附屬設施組成的系統，是一座城市運營中的基本設施之一。我國城市化發展進程不平衡，城鄉區別大，污水、雨水管道還存在混接現象，日常排水管網的監測和疏通還較大程度依賴于傳統人工記憶和經驗管理。網絡信息化管理雖然得到普及，但排水管網在應用層面的監測設備沒有真正實現數據在線實時監測，需要專人定期查表，導致監測區域內排水管網信息收集不全面、監測數據更新速度慢，無法真正及時有效地對排水管網系統的監測運行提供數據決策支持。因此需要一款價廉物美且安裝方便的在線排水管網監測系統來盡可能地避免上述問題。

1 系統總體設計

本系統將液位傳感器測量到的水位數據通過數據透傳方式上傳到有人云平臺服務器，同時通過有人云平臺的物接入和物解析功能，將測量到的數據及位置等信息發送給用戶。開發的在線排水管網監測系統采用B/S架構，排水管網監測系統為客戶端，有人云平臺為服務器端，通過互聯網建立客戶端和服務器端的通信連接，實現排水管網的實時監測和數據傳輸。結合團隊自身所掌握的知識和技術，歸納出系統總體設計的三個步驟，如圖1所示。

圖1 監測系統設計框架

（1）4G網關與侵入式液位監測裝備連接

利用4G網關設備可以很方便地連接液位傳感器設備和有人云服務器。網關先要進行設備查詢管理設置，本系統使用USR-G770網關，通過Modbus協議實現與傳感器的通信連接，最終將排水管網水位監測數據從設備上傳到有人云平臺。

（2）4G網關將數據上傳至云平臺

在有人云平臺管理界面添加一個API網關用來獲取4G網關上傳的水位數據等，云平臺會自動生成新的連接信息。通過有人云平臺新建的API網關和網關子設備可以實現客戶端液位傳感器設備的連接，并能夠實現排水管網監測系統中直接對設備進行信息編輯等功能。

（3）排水管網監測系統的實現

排水管網監測系統實現后，除了客戶端具有良好的用戶體驗，系統還能實現實時水位數據獲取、管網內情況自動報警、監測設備地圖定位等功能。

2 系統硬件設計

本系統使用的侵入式液位檢測裝備主要通過STM32開發板開發，調參后只需要通過協議與4G網關連接即可使用，具體如下。

2.1 安裝心跳包

在4G網關的網絡數據透傳模式作用下，設備連接后客戶端會間歇性地向服務器發送數據，因此設置4G網關定時向有人云服務器端發送心跳包。如果4G網關超過所設置的心跳間隔沒有接收到串口設備的數據時，就會向云平臺再次發送心跳包讓其響應并回復；如果4G網關在所設置的心跳間隔內接收到串口設備發來的數據時，就會清除自身的計時并重新開始計時，這樣做的主要目的是保持4G網關與云平臺實時連接。

2.2 主程序設計

系統主程序是一個無限循環程序，在4G網關與云平臺連接之后，系統需要先完成程序中輸入/輸出端口、協議控制電路以及數據存儲模塊的初始化，然后再讓程序繼續執行液位數據采集任務。主程序還會對定時器進行初始化，初始化定時器后該系統才會自動采集液位傳感器的數據。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

2.3 總線狀態切換

為了使液位監測設備工作穩定，需要解決半雙工總線收發切換延時問題。在RS 485協議總線狀態切換時需要做適當延時，以便數據正常收發。具體做法是在向系統發送數據的狀態下，先將控制端置1，延時1 ms左右，再發送有效的數據，一包數據發送結束后再延時1 ms后，將控制端置0。這樣的處理會使總線在狀態切換時有一個穩定的工作過程。

2.4 網關定位實現

4G模塊DTU終端設備USR-G770具有LBS基站定位功能，通過網絡獲取運營商提供的位置信息，定位精度一般在100 m左右。但此功能獲取的并不是經緯度信息，需要將此信息給到第三方平臺，并通過計算得到相應定位信息。

3 系統軟件設計與實現

3.1 云平臺的搭建

本系統是使用有人云平臺進行輔助開發的，有人透傳云主要是為解決設備與設備、設備與上位機（Android、IOS、PC）之間相互通信而開放的平臺。透傳云主要用來透傳數據，接入設備幾乎不須做修改便可接入實現遠程透傳數據。透傳云適用于遠程監控、物聯網、車聯網、智能家居等領域，USR-G770也支持接入透傳云。

3.2 系統與云平臺的連接

基于物聯網技術的在線排水管網監測系統與有人云平臺之間的數據交換需要通過兩者之間的通信信道進行。通信信道的建立，離不開控制算法的云節點。當監測系統通信模塊與云節點生成的會話模塊相連接后，云端服務器會自動為客戶端創建一個數據傳輸通道，這時客戶端上傳到云平臺的各類監測數據會直接被轉發至監測系統中。為了系統在云端的數據順利傳輸，需要在云端建一個緩沖區保存緩沖數據。緩沖區內部使用先進先出隊列傳輸方式，當實時數據被云端快速獲取時，監測系統端若因數據傳輸滯緩導致部分延時，借助緩沖區仍然能正常傳輸，因此數據流不會受到影響。

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3.3 數據解析模塊實現

JSON數據通過云平臺進行解析，把需要的數據保存在云平臺數據庫中；再通過消息管理模塊實現硬件系統消息的接收和管理。由于接收到的數據格式是JSON格式，需將所用的數據通過一定編碼提取出來再保存至數據庫，最終通過通信鏈路和網關傳輸到客戶端并顯示消息。

3.4 監測界面數據更新實現

本系統采用多線程進行數據采集和傳輸，采用4G網關中2路Socket實現通信連接，使用遞歸循環的方式，實現數據包的實時接收及數據的實時更新；系統將液位傳感器數據獲取、顯示等功能分配給不同的線程實現并行運行，同時可以及時準確地監測到排水管網的各類數據。具體數據接收過程如圖3所示。

圖3 接收數據流程

3.5 報警功能實現

本系統加入了異常報警功能的設計，通過監測系統對水位數據進行實時監測，可以直接在系統中發現異常，監測系統通過警告的方式讓用戶得知排水管某處水位異常。

在報警功能的實現中，最重要的就是報警閾值的設置。閾值的大小決定了監測點是否報警以及報警總數的多少，是一個監測系統設備狀態的參數。若超過設定的閾值，就會在云平臺上以報警信息顯示，包括報警總數、已處理和未處理報警數量以及報警的設備地址。在正常情況下，用0表示正常狀態（不報警），用1表示異常狀態（發出報警）。

4 系統測試驗證

為了保證本系統能夠正常運行，實現既定目標任務，需要對系統各類功能進行測試，具體如下：

（1）設備管理功能測試

測試方法：登錄系統，將侵入式液位監測裝備與4G網關連接，4G網關與本系統連接，正常情況下可以看到經過配置的設備上線。將其中一個4G網關保持通電狀態，另一個4G網關斷開，以檢測設備上下線的識別以及提醒功能。

測試結果：在系統首頁可以觀察到在線設備數量、離線設備數量以及每個設備的名稱、SN設備碼、地址，還可以實現編輯、同步、數據調試與刪除、運行組態等功能。每當其中一個設備上線，右上角將彈出上線的設備信息，還可以看到該設備上下線的歷史記錄和歷史測量記錄。

（2）報警功能測試

測試方法：注水直至水位超過1 200 mm以上，該數值已經超過了排水管網監測系統中設置的閾值，等待系統報警。

測試結果：經過報警功能測試，監測系統向4G網關內的SIM卡發送了報警信息，證明系統對超過閾值水位數據進行了報警，并將報警信息儲存到云端數據庫中，報警總數、未處理的報警數量和已處理的報警數量也隨之改變，如圖4所示。

圖4 報警信息

（3）地圖功能測試

測試驗證4G網關設備的位置信息可以準確地顯示在云平臺中的百度地圖上。

測試方法：在隨機監測點位置配置4G網關設備，設備通過定位功能向基站發送位置信息，是否每一個配置好的4G網關設備都會顯示在地圖中。

測試結果：在無錫太湖學院北區某排水管網內配置多個4G網關，在云平臺的地圖上顯示其定位，測試通過。

5 結 語

本文主要論述了基于物聯網技術的在線排水管網監測系統的設計與開發方法，該系統是基于物聯網技術利用云平臺的物解析、物接入功能，結合物聯網智慧平臺來實現的。通過系統測試，該在線排水管網監測系統具有實時、便捷、可操作等優點，使管理人員能夠實時獲取排水管監測有效數據，從而正確快速地輔助管理人員解決出現的問題。