張姣姣，劉紅旺，雷 亮，葉雨龍

（天津水利電力機(jī)電研究所，天津301900）

1 引言

現(xiàn)在水利系統(tǒng)對(duì)信息化要求越來(lái)越高，監(jiān)控設(shè)備所要滿足的環(huán)境條件也越來(lái)越苛刻。水利系統(tǒng)要求設(shè)備可以工作在潮濕、密閉甚至是遠(yuǎn)離供電電源的環(huán)境下，要求設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸可靠且節(jié)能。本文對(duì)水利監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 水利系統(tǒng)信息化要求

隨著水利系統(tǒng)對(duì)信息化要求的提高，系統(tǒng)對(duì)以下情形的監(jiān)控需求會(huì)越來(lái)越多。

2.1 監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)偏遠(yuǎn)化

隨著國(guó)家加快偏遠(yuǎn)地區(qū)的開(kāi)發(fā)及推進(jìn)扶貧項(xiàng)目的需要，水利系統(tǒng)監(jiān)控范圍必須覆蓋到一些偏遠(yuǎn)地區(qū)。

2.1.1 設(shè)備運(yùn)行要求

大多數(shù)偏遠(yuǎn)地區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行條件十分有限，而信息化發(fā)展需要監(jiān)控居民用戶(hù)或扶貧用水調(diào)度數(shù)據(jù)，這樣就要求安裝在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備價(jià)格便宜、可靠性高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單方便。物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)智能設(shè)備而言造價(jià)低，而且運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行不需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)值守，總體運(yùn)行成本低。

2.1.2 設(shè)備電源要求

與智能電力監(jiān)控設(shè)備不同，智能水利監(jiān)控設(shè)備并不能保證檢測(cè)設(shè)備臨近可供電電源，偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)還存在供電受限的情形，有些監(jiān)測(cè)設(shè)備必須安裝在人跡罕至的環(huán)境中，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)外部供電。

基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備可以在無(wú)外部電源供給的情況下，依靠自帶電池正常工作近6年時(shí)間，在外部電源受限的偏遠(yuǎn)地區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可應(yīng)用于水利監(jiān)控系統(tǒng)，為水網(wǎng)的智能運(yùn)行提供可靠數(shù)據(jù)支持。

2.2 工作環(huán)境特殊化

一般的智能監(jiān)控設(shè)備要求環(huán)境干燥、具有良好的數(shù)據(jù)通信條件，而有些水利系統(tǒng)的智能監(jiān)控設(shè)備不得不工作在潮濕的環(huán)境下，但絕大多數(shù)水利改造項(xiàng)目的設(shè)備安裝環(huán)境不僅潮濕，而且空間狹小，且不具備鋪設(shè)通信線纜的條件。

現(xiàn)行的物聯(lián)網(wǎng)終端可以封裝成為防水防潮且安裝方便的無(wú)線傳輸設(shè)備，能夠適應(yīng)特殊環(huán)境的要求，方便安裝、拆卸。

3 建立基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

本文將以天津水利電力機(jī)電研究所為中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提供的智能水表監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并論證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在水利系統(tǒng)的可用性。

系統(tǒng)采用Message Queuing Telemetry Transport（MQTT）協(xié)議進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸。MQTT是現(xiàn)行主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它是一種輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上需要的資源相對(duì)HTTP、AMQP、XMPP等協(xié)議少。此MQTT特性符合水利系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能受限的偏遠(yuǎn)監(jiān)控點(diǎn)的需求，它采用發(fā)布/訂閱模式工作，可以將信息進(jìn)行一對(duì)多傳輸，在降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備要求的同時(shí)，降低應(yīng)用程序的耦合性。

系統(tǒng)服務(wù)建立在CentOS7操作系統(tǒng)上，通過(guò)對(duì)JavaScript結(jié)合Python技術(shù)的研究，用Django建立服務(wù)系統(tǒng)，將模型用Web形式進(jìn)行管理展示。在服務(wù)器建立MQTT服務(wù)（采用mosquitto），實(shí)現(xiàn)將信息收集到服務(wù)器的功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)建立在CentOS7系統(tǒng)上，采用postgresQl12完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

終端設(shè)備采用STM32芯片完成數(shù)據(jù)上報(bào)處理，此系列芯片性能高、成本低、功耗低，采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)、傳輸完成隨即斷開(kāi)鏈接的模式運(yùn)行節(jié)省用電，滿足無(wú)供電電源地點(diǎn)對(duì)監(jiān)控設(shè)備的要求；設(shè)備配置外置天線，可將天線與設(shè)備本體分離安裝，滿足信號(hào)傳輸要求；終端測(cè)試完成后用密封膠灌裝密封，以適應(yīng)潮濕環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求。

實(shí)現(xiàn)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的具體模塊及組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控實(shí)例

4.1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)傳輸

本文以新型智能NB-Iot水表及其抄表管理平臺(tái)介紹物聯(lián)網(wǎng)水表網(wǎng)絡(luò)傳輸及管理后臺(tái)的應(yīng)用。

智能NB-Iot水表通過(guò)自身內(nèi)置的NB-Iot無(wú)線模塊（搭載著物聯(lián)網(wǎng)卡，需購(gòu)買(mǎi)網(wǎng)絡(luò)流量才能上網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與連接）通過(guò)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸（中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通或者中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商）直接把單元信息傳輸?shù)狡脚_(tái)服務(wù)器中，平臺(tái)服務(wù)器按照智能NB-Iot水表的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析得到水表顯示的真實(shí)數(shù)據(jù)。

只要平臺(tái)服務(wù)器連接網(wǎng)絡(luò)，任意一臺(tái)可上網(wǎng)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)平臺(tái)服務(wù)器即可查看水表詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。

4.2 后臺(tái)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)架構(gòu)采用Django配合JavaScript技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頁(yè)面通過(guò)瀏覽器展示。整體界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單；可實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、用戶(hù)數(shù)據(jù)管理、抄表流程自動(dòng)化、營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理、管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)報(bào)表、大數(shù)據(jù)分析等功能。如圖2所示。

圖2 水表管理平臺(tái)

5 結(jié)論

現(xiàn)在水利系統(tǒng)可以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)水務(wù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，滿足水利行業(yè)信息化的需求。