基于物聯網的校園智慧水務信息管理平臺研究

陸 青, 鄧敏茜, 李春玲

(廣西建設職業技術學院, 廣西 南寧 530007)

當前我國水務環保行業市場化規模逐漸擴大,各地高校逐步實現對校園內部水務的自主管理。 由于校園內部水務管理起步晚,在實際管理中存在信息傳遞脫節、管理水平不統一、重點單元能源消耗大等問題;加之水污染問題具有很大的偶然因素,客觀上需要對水務進行全面、實時和動態的監督與管理。當前校園內部水務管理的問題具體體現在以下方面:首先,水資源基本信息缺乏,一些水情監測只能依靠人力解決,監測精度低、頻率低,監測廣度等基本要素缺乏[1];其次,沒有專門的數據中心,數據的存儲、處理等技術還需要不斷完善,資源共享強度需加強。 本文結合物聯網技術,開展對校園智慧水務信息管理平臺的設計研究。

1 基于物聯網的智慧水務信息管理平臺

1.1 平臺框架結構設計

校園智慧水務信息管理包括供水管理、泵房管理和水量管理。 為實現對校園水務信息的管理,根據其基本需要,對管理平臺的框架結構進行設計。校園智慧水務信息管理平臺包括監控層、感知層和應用層,見圖1。

圖1 水務信息管理平臺框架Fig.1 Framework of water information management platform

監控層包括監控主機和視頻機,用來管控水務的生產設備、管網設備和終端設備,并感知水源、水廠、室內、室外和傳感器等信息;感知層包括生產設備、管網設備和終端設備;應用層包括水源、水廠、室內、室外和傳感器。

平臺包含的硬件和軟件可實現對數據的實時監測,并將采集的數據通過物聯網將其傳輸到平臺數據庫中并實現集中處理[2]。 通過平臺應用,將校園用水實時水質情況傳輸到水質監測中心,另外,通過物聯網技術精確把握不同用水量需求,及時調整各供水管線的供水量。

1.2 平臺硬件選型

信息采集是水務信息管理平臺運行的關鍵,根據平臺的運行及功能需求,平臺應用具備流量監測傳感器和水質監測傳感器。 流量傳感器具有反映靈敏、壽命長、動作迅速、安全可靠、連接方便利啟動流量超低(1.5 L/min)等優點,而水質監測傳感器應用于自來水管網水質監測,將流量傳感器和水質監測傳感器與管道水平布局銜接,傳感器性能指標見表1。 通過各硬件結構配合,將水務信息上傳到平臺管理中心,為后續對水務信息的管理提供有利的數據支撐。

表1 傳感器基本性能參數Tab.1 Basic performance parameters of sensors

1.3 基于物聯網水務信息數據傳輸與數據庫構建

1.3.1 數據傳輸

本文涉及的校園智慧水務信息管理平臺包含兩種數據傳輸方式:一種通過下位機實現對所需水務信息數據的采集,通過物聯網實現數據傳輸,并將所獲取的數據以統一格式存儲在平臺數據庫當中;另一種在平臺中設計數據錄入入口,由管理人員直接對平臺數據進行錄入[3]。 將物聯網技術應用到數據傳輸中實現數據傳輸的原理見圖2。

圖2 基于物聯網的水務信息傳輸原理Fig.2 Principles of water information transmission based on the Internet of Things

由于水務設備種類多,下位機采集的數據種類也較多,從底層計算機向上層計算機傳送的海量數據流將給平臺數據庫帶來很大的負荷,為合理利用數據庫的存儲空間,同時滿足水務信息管理對數據傳輸的需求,必須設置適當的數據采集發送頻率。根據通訊協議和實際條件,設計下位機的傳輸頻率為10 幀/min。

在具體傳輸過程中,通過建立的物聯網感知節點來獲取原始數據,再將其發送到匯聚單元,物聯網感知節點所收集到的數據由匯聚單元進行預處理。通過物聯網向節點傳送經過處理的數據由平臺服務器實現數據的接收[4-6]。 在對原始數據進行處理時,如果水質數據與傳感器數據存在線性關系,可采用線性轉換方法完成。 該轉換公式(1)見下式:

式中:A表示線性變換后的數據;Nm表示A/D 變換后的數字;N0表示A/D 變換前的數字;Am表示測量數據范圍的最大值;A0表示被測數據量程下限;B表示測量數據的最低限度。

1.3.2 數據庫構建

管理平臺的核心功能是實現對水務信息的監管,利用物聯網技術,將下位機采集到的數據進行接收和存入數據庫。 在管理時,根據需要獲取數據庫中的信息,并在上位機展示,實現管理功能。 在本平臺的開發過程中,數據庫的工作流程見圖3。

圖3 管理平臺數據庫基本工作流程Fig.3 Basic workflow of managing platform databases

1.4 水務設備管理與信息可視化展示

管網出現緊急情況時,平臺可立即獲取異常泵站閥門的監管權,并遠程改變泵站運行狀態,實現對緊急情況的快速響應。 為進一步提升管理性能,在平臺中應用遠程控制和技術預警處理雙層保障體系。 水務設備管理中的危機處理流程見圖4。

圖4 水務設備管理中危機處理流程Fig.4 Crisis handling process in water equipment management

除了對水泵網管運行情況的實時監控與管理外,在平臺上增加可視化展示模塊展示水務信息,更進一步掌握校園內用水用戶對水資源的需求情況。根據規律進行對水資源的優化調度,提升水資源的使用效率。 在對水務信息可視化展示時,可以將每日最大壓力、最小壓力、平均壓力等作為重點展示數據,以此實現對一定時期內水資源用量變化的分析,實現水資源優化調度,提高水務信息管理成效。

2 對比實驗

根據上述論述,從理論方面實現了對基于物聯網技術的管理平臺的設計。 為驗證該平臺在實際應用中是否能夠實現對校園智慧水務信息的有效管理,將基于SOA 架構的管理平臺、基于云計算的管理平臺和本文設計平臺分別作為對照A 組、對照B組和實驗組,對設計的管理平臺進行效果驗證。 三組管理平臺均在Eclipse 集成開發環境中,Windows64 位操作系統上運行,利用J2EE 技術體系實現開發,并使用MySQL 數據庫負責數據的存儲及管理,通過Tomcat 開元服務器實現對平臺內各項功能的部署,并選用同一服務器和同一網絡下,進行海量水務信息數據的管理。

選擇平臺的管理數據量作為評價指標,平臺能夠管理的數據量越大,則說明平臺運行性能越優,反之,則說明平臺運行性能越差,結果見圖5。

圖5 三種管理平臺運行性能對比Fig.5 Comparison of the operational performance of three management platforms

由圖5 可知,相同的運行時間,實驗組平臺能夠實現對800～1 000 Mbits 數據量的水務信息管理,而對照A 組和對照B 組管理平臺數據量最多僅為625 Mbits。 運行5 h 時,對照B 組出現數據量缺失的問題,主要原因是對照B 組處理的水務信息過多,平臺無法實現有效運行。 上述實驗結果證明,本文提出的基于物聯網的管理平臺可以實現對多數據量水務信息的管理,且其管理效率高于其它平臺。

3 結語

將物聯網技術應用到校園智慧水務信息管理中,基于該技術的應用優勢,構建一種新的水務管理平臺,該管理平臺可為校園智慧水務管理提供有利的技術條件。 未來還將結合更多現代化的技術手段,實現對校園水務信息的全面監管,構建更加強大的校園水務管理體系。