盛 平，徐錦志，劉曉梅

(1.江蘇大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇科茂信息技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

0 引言

2012年7月21-22日，北京遭遇61年來最強(qiáng)暴雨及洪澇災(zāi)害[1]。根據(jù)北京市政府發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，此次暴雨造成超過160萬人受災(zāi)、1萬余間房屋倒塌，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100多億元。為了有效解決城市內(nèi)澇問題，提高城市防洪抗災(zāi)能力，海綿城市建設(shè)迫在眉睫。2012年4月，“海綿城市”概念第一次被提出:海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能，減少城市洪澇災(zāi)害發(fā)生[2-3]。

目前，全國已有多個海綿城市建設(shè)試點城市，但大多從建筑、地形地貌等自然環(huán)境的角度進(jìn)行設(shè)計，雖然起到一定作用，但無法對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)采集和監(jiān)測。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程水雨情監(jiān)測大多采用GPRS技術(shù)[4]。以往基于單片機(jī)的自動灌溉系統(tǒng)[5]，通過將實時土壤參數(shù)值與已設(shè)定固定值進(jìn)行比較實現(xiàn)自動灌溉，無法改變設(shè)定值。本文對上述不足進(jìn)行改進(jìn)，利用新興的NB-IoT(基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，Narrow Band-Internet of Things)技術(shù)[6]對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，相比傳統(tǒng)的GPRS，NB-IoT具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等優(yōu)點[7]。系統(tǒng)可通過移動客戶端對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，操作方便靈活，且能節(jié)約水資源、減少人工成本，提高海綿城市給排水的科學(xué)管理水平。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

為了發(fā)揮軟件設(shè)計高內(nèi)聚低耦合的優(yōu)點，避免不同模塊之間的相互影響，系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方式。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)，系統(tǒng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層[8](見圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層主要由移動客戶端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器組成。用戶或相關(guān)管理人員通過移動客戶端讀取保存在數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)，或者實時進(jìn)行設(shè)備控制。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括NB-IoT傳輸模塊以及嵌入式網(wǎng)關(guān)等。NB-IoT傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制等。

感知層包括土壤溫濕度傳感器、雨量傳感器、水位傳感器、水泵等。

在該系統(tǒng)中，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過RS485通信協(xié)議與各傳感器節(jié)點進(jìn)行通信，讀取各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，包括實時降雨量、土壤濕度、土壤溫度、蓄水池蓄水水位等，經(jīng)過收集、分析和處理后，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)保存；通過移動客戶端可以查看歷史數(shù)據(jù)，移動客戶端也可以通過通信服務(wù)器和NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給嵌入式網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對水泵等設(shè)備的控制；通過蓄水水位和蓄水池的建設(shè)形狀計算總儲水量；采用模糊控制算法，嵌入式網(wǎng)關(guān)根據(jù)采集到的土壤溫濕度進(jìn)行自動灌溉，達(dá)到節(jié)約用水目的。

1.2 NB-IoT技術(shù)

截至2015年底，我國三大運營商的物聯(lián)網(wǎng)使用戶數(shù)已接近一億戶，2016年國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)整體規(guī)模已超過9000億元。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透制造業(yè)、物流行業(yè)、醫(yī)療保健、消費電子、零售等應(yīng)用行業(yè)，且應(yīng)用比例逐年提高。萬物互聯(lián)時代正極其迅速地走進(jìn)人們的生活。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷增多，網(wǎng)絡(luò)資源需求不斷變化，現(xiàn)有頻帶資源難以滿足日益增長的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。因此，NB-IoT技術(shù)應(yīng)運而生。NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)，其特點有：①覆蓋廣，比GPRS覆蓋增強(qiáng)20dB+，覆蓋面積擴(kuò)大100倍；②連接多,比GSM連接數(shù)多50～100倍，每個扇區(qū)支持5萬個以上連接；③功耗低，基于AA電池，使用壽命可超過10年；④速率低，占用帶寬約180kHz；⑤成本低、架構(gòu)優(yōu)，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級[9]。目前，中國移動鎮(zhèn)江公司已在鎮(zhèn)江市主城區(qū)實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，為NB-IoT的使用提供了方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計、通信模塊設(shè)計、傳感器節(jié)點設(shè)計、控制模塊及供電模塊設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)包括MCU、晶振電路、I/O模塊、電源管理等。MCU采用基于ARM的32位低功耗STM32F10 3RBT6單片機(jī)，其工作溫度范圍是-40℃～85℃，能夠滿足系統(tǒng)在室外安裝使用的需求。

2.2 通信模塊

通信模塊采用基于NB-IoT技術(shù)的移遠(yuǎn)BC95芯片，替代傳統(tǒng)的GPRS模塊，用于MCU與通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和指令轉(zhuǎn)發(fā)。BC95芯片支持多路IP連接，可以實現(xiàn)多個服務(wù)器連接。

2.3 傳感器模塊

系統(tǒng)需要使用雨量、水位、土壤溫濕度傳感器。雨量傳感器采用武漢新普惠公司的PH-YL-1翻斗式雨量計，分辨率為0.1mm，主要由儲水器、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗和干簧管等組成[10]。土壤傳感器采用搜博SM3001土壤溫濕度傳感器，測量精度3%FSD，響應(yīng)時間小于1s。水位傳感器采用星儀CYW11投入式液位變送器液位傳感器，最大量程5m，精度0.5%FS。所有傳感器均遵循標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信協(xié)議，具有組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。每個傳感器設(shè)置不同的地址，嵌入式網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳感器地址發(fā)送指令，相應(yīng)傳感器回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，相互之間不會產(chǎn)生干擾，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.4 控制模塊

在該系統(tǒng)中，控制模塊主要用于自動灌溉，需要根據(jù)土壤濕度的變化對水泵進(jìn)行控制以實現(xiàn)自動灌溉。

2.5 供電模塊

供電模塊主要提供直流12V電壓。為了節(jié)約用電，使用清潔能源，供電模塊采用智能電源管理系統(tǒng)，將太陽能供電和市電同時接入[11]。通常情況下用蓄電池將太陽能發(fā)電保存，然后給設(shè)備供電，通過智能電源管理系統(tǒng)實時監(jiān)測蓄電池的電量和狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電量大于一定閾值能夠滿足設(shè)備用電需求時，智能電源管理系統(tǒng)將供電切換為蓄電池供電；當(dāng)蓄電池電量小于一定閾值無法滿足設(shè)備用電需求時，智能電源管理系統(tǒng)自動將蓄電池供電切換為市電，實現(xiàn)無縫切換，保證設(shè)備正常運行[12]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 移動客戶端

移動客戶端采用安卓APP將數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢、自動控制、手動控制等。安卓APP客戶端采用多線程編程同時連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信服務(wù)器。安卓APP客戶端基于TCP/IP協(xié)議與通信服務(wù)器建立連接[13]，向通信服務(wù)器發(fā)送控制指令，通信服務(wù)器向?qū)?yīng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)指令，獲取水位、土壤濕度、雨量信息以及水泵的實時運行狀態(tài)，并可以實現(xiàn)對設(shè)備控制?？蛻舳耸褂胮ost方法向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送請求，調(diào)取蓄水池水位、土壤溫濕度、雨量等歷史參數(shù)，根據(jù)不同情況，安卓APP可以選擇按小時或者按天查詢歷史數(shù)據(jù)，通過折線圖方式將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

3.2 嵌入式軟件

在該系統(tǒng)中，MCU選用STM32F103RBT6單片機(jī)，為了滿足設(shè)計需求，對嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行移植。將ucosII v2.91版本移植到STM32F103RBT6單片機(jī)上，實現(xiàn)多任務(wù)操作系統(tǒng)。ucosII是一個可以基于ROM運行的可裁剪、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度的可移植性，特別適合微處理器和控制器[14]。在移植的ucosII v2.91版本中，最多支持255個任務(wù)，ucosII對其進(jìn)行調(diào)度管理，使其可以并發(fā)工作，每個任務(wù)互不干擾、獨立運行，通過信號量、郵箱、消息隊列、事件進(jìn)行任務(wù)間通信[15]。

嵌入式軟件系統(tǒng)流程如圖3所示，先啟動程序，配置NB-IoT模塊，即移遠(yuǎn)BC95芯片，然后開啟多個任務(wù)。

圖3 嵌入式軟件系統(tǒng)流程

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

通過定時器，嵌入式網(wǎng)關(guān)每隔15min采集一次環(huán)境參數(shù)，包括實時降雨量、蓄水池水位、土壤溫濕度，經(jīng)過處理分析后，嵌入式網(wǎng)關(guān)連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并把數(shù)據(jù)上傳存儲。由于數(shù)據(jù)上傳是定時上傳，不需要建立長連接，因此數(shù)據(jù)上傳以后可以將連接斷開，然后等待下一次上傳。

3.2.2 掉線檢測

由于系統(tǒng)需要移動客戶端實時發(fā)送指令到嵌入式網(wǎng)關(guān)，因此嵌入式網(wǎng)關(guān)與通信服務(wù)器之間需要建立長連接。嵌入式網(wǎng)關(guān)定時向通信服務(wù)器發(fā)送心跳包，通信服務(wù)器接收到心跳包后會給出相應(yīng)回復(fù)，嵌入式網(wǎng)關(guān)收到正確回復(fù)后確認(rèn)本身與通信服務(wù)器的連接未斷開，否則認(rèn)為連接已斷開，需要重新連接，以此確保嵌入式網(wǎng)關(guān)在線。

3.2.3 實時通信

在實時通信任務(wù)中，移動客戶端向通信服務(wù)器發(fā)送控制指令，通信服務(wù)器將指令實時轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)解析指令并執(zhí)行設(shè)備控制或讀取實時環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果返回。

3.2.4 自動控制

由于噴灌以后土壤濕度變化具有一定滯后性，通過實驗，嵌入式網(wǎng)關(guān)每隔30min進(jìn)行一次土壤濕度采集，采用模糊控制器實現(xiàn)自動控制，根據(jù)以往城市綠化人工灌溉經(jīng)驗建立模糊邏輯控制表。在系統(tǒng)中所使用的模糊控制器有兩個輸入?yún)?shù)，分別為土壤濕度差值和土壤濕度變化率；有一個輸出參數(shù)，為灌溉時間[16]。根據(jù)鎮(zhèn)江市海綿公園現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，將土壤傳感器埋入測試地點地下30cm深度時，公園綠化的土壤濕度維持在50%以上即可。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.3 服務(wù)端

根據(jù)實際應(yīng)用需求，系統(tǒng)將服務(wù)端劃分為兩個部分：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，靈活方便，負(fù)責(zé)相應(yīng)的參數(shù)存儲以及歷史數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)查詢和存儲接口，移動客戶端和嵌入式網(wǎng)關(guān)均通過HTTP協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或者存儲?？紤]到未來應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，通信服務(wù)器需要支持高并發(fā)，通信服務(wù)器采用開源、基于XMPP協(xié)議的Openfire即時通信系統(tǒng)，將其部署在騰訊云服務(wù)器上，可以實現(xiàn)移動客戶端與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間的實時通信，從而達(dá)到移動客戶端對現(xiàn)場設(shè)備控制以及實時參數(shù)獲取。Openfire即時通信系統(tǒng)還支持Web管理，方便管理人員通過Web對嵌入式網(wǎng)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行查詢和管理。兩個服務(wù)器相互獨立，互不影響[17]。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)自2017年11月20日安裝，在鎮(zhèn)江市海綿公園測試，至2018年2月20日，運行穩(wěn)定。根據(jù)Openfire即時通信服務(wù)器Web管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，嵌入式網(wǎng)關(guān)72h內(nèi)掉線次數(shù)不超過一次，能夠在1min內(nèi)重新連接通信服務(wù)器并保持正常工作。

天氣晴朗時，在手動控制狀態(tài)下，當(dāng)土壤濕度較低時，通過遠(yuǎn)程開啟灌溉，土壤濕度會不斷增加，灌溉停止后，土壤濕度會隨著時間的推移而逐漸降低，土壤濕度變化如圖5所示。系統(tǒng)自動灌溉后，使得土壤濕度能夠最接近綠化植物的生長需求，土壤濕度變化如圖6所示。

圖5 手動狀態(tài)下土壤濕度變化

圖6 自動狀態(tài)下土壤濕度變化

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，查詢其中某一天降雨時段的相關(guān)環(huán)境參數(shù)變化，雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖7；蓄水池水位由138cm上升為143cm，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖8；土壤濕度由最低68%上升為98%，接近飽和狀態(tài)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖9。

圖7 雨量統(tǒng)計

圖8 水位變化

圖9 土壤濕度變化

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了基于NB-IoT的海綿城市水雨情監(jiān)測及自動灌溉系統(tǒng)。采用先進(jìn)的NB-IoT技術(shù)，對降雨量、土壤溫濕度、蓄水池水位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)水雨情的有效監(jiān)測；根據(jù)土壤濕度變化利用降雨時儲存在蓄水池里的雨水對城市綠化進(jìn)行自動灌溉，實現(xiàn)節(jié)約用水、循環(huán)用水、減少人力成本。相比以往的相關(guān)設(shè)計，本文研究并使用了最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT，符合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢。實驗表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期效果。