陳兆豐，萬錦珍，顏作濤，陳道來，劉蘇鋒，陳國俊

（無錫太湖學(xué)院，江蘇 無錫 214064）

0 引 言

排水管網(wǎng)系統(tǒng)是指輸送和排放污水、廢水的管道以及附屬設(shè)施組成的系統(tǒng)，是一座城市運營中的基本設(shè)施之一。我國城市化發(fā)展進程不平衡，城鄉(xiāng)區(qū)別大，污水、雨水管道還存在混接現(xiàn)象，日常排水管網(wǎng)的監(jiān)測和疏通還較大程度依賴于傳統(tǒng)人工記憶和經(jīng)驗管理。網(wǎng)絡(luò)信息化管理雖然得到普及，但排水管網(wǎng)在應(yīng)用層面的監(jiān)測設(shè)備沒有真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線實時監(jiān)測，需要專人定期查表，導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)信息收集不全面、監(jiān)測數(shù)據(jù)更新速度慢，無法真正及時有效地對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測運行提供數(shù)據(jù)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(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)來盡可能地避免上述問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)將液位傳感器測量到的水位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)透傳方式上傳到有人云平臺服務(wù)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(shù)據(jù)及位置等信息發(fā)送給用戶。開發(fā)的在線排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)為客戶端，有人云平臺為服務(wù)器端，通過互聯(lián)網(wǎng)建立客戶端和服務(wù)器端的通信連接，實現(xiàn)排水管網(wǎng)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合團隊自身所掌握的知識和技術(shù)，歸納出系統(tǒng)總體設(shè)計的三個步驟，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框架

（1）4G網(wǎng)關(guān)與侵入式液位監(jiān)測裝備連接

利用4G網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以很方便地連接液位傳感器設(shè)備和有人云服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)先要進行設(shè)備查詢管理設(shè)置，本系統(tǒng)使用USR-G770網(wǎng)關(guān)，通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)與傳感器的通信連接，最終將排水管網(wǎng)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)從設(shè)備上傳到有人云平臺。

（2）4G網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺

在有人云平臺管理界面添加一個API網(wǎng)關(guān)用來獲取4G網(wǎng)關(guān)上傳的水位數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)子設(shè)備可以實現(xiàn)客戶端液位傳感器設(shè)備的連接，并能夠?qū)崿F(xiàn)排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中直接對設(shè)備進行信息編輯等功能。

（3）排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)后，除了客戶端具有良好的用戶體驗，系統(tǒng)還能實現(xiàn)實時水位數(shù)據(jù)獲取、管網(wǎng)內(nèi)情況自動報警、監(jiān)測設(shè)備地圖定位等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用的侵入式液位檢測裝備主要通過STM32開發(fā)板開發(fā)，調(diào)參后只需要通過協(xié)議與4G網(wǎng)關(guān)連接即可使用，具體如下。

2.1 安裝心跳包

在4G網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)透傳模式作用下，設(shè)備連接后客戶端會間歇性地向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，因此設(shè)置4G網(wǎng)關(guān)定時向有人云服務(wù)器端發(fā)送心跳包。如果4G網(wǎng)關(guān)超過所設(shè)置的心跳間隔沒有接收到串口設(shè)備的數(shù)據(jù)時，就會向云平臺再次發(fā)送心跳包讓其響應(yīng)并回復(fù)；如果4G網(wǎng)關(guān)在所設(shè)置的心跳間隔內(nèi)接收到串口設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)與云平臺實時連接。

2.2 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序是一個無限循環(huán)程序，在4G網(wǎng)關(guān)與云平臺連接之后，系統(tǒng)需要先完成程序中輸入/輸出端口、協(xié)議控制電路以及數(shù)據(jù)存儲模塊的初始化，然后再讓程序繼續(xù)執(zhí)行液位數(shù)據(jù)采集任務(wù)。主程序還會對定時器進行初始化，初始化定時器后該系統(tǒng)才會自動采集液位傳感器的數(shù)據(jù)。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

2.3 總線狀態(tài)切換

為了使液位監(jiān)測設(shè)備工作穩(wěn)定，需要解決半雙工總線收發(fā)切換延時問題。在RS 485協(xié)議總線狀態(tài)切換時需要做適當延時，以便數(shù)據(jù)正常收發(fā)。具體做法是在向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下，先將控制端置1，延時1 ms左右，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)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(tài)切換時有一個穩(wěn)定的工作過程。

2.4 網(wǎng)關(guān)定位實現(xiàn)

4G模塊DTU終端設(shè)備USR-G770具有LBS基站定位功能，通過網(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(yīng)定位信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 云平臺的搭建

本系統(tǒng)是使用有人云平臺進行輔助開發(fā)的，有人透傳云主要是為解決設(shè)備與設(shè)備、設(shè)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(shù)據(jù)，接入設(shè)備幾乎不須做修改便可接入實現(xiàn)遠程透傳數(shù)據(jù)。透傳云適用于遠程監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領(lǐng)域，USR-G770也支持接入透傳云。

3.2 系統(tǒng)與云平臺的連接

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在線排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)與有人云平臺之間的數(shù)據(jù)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(jié)點。當監(jiān)測系統(tǒng)通信模塊與云節(jié)點生成的會話模塊相連接后，云端服務(wù)器會自動為客戶端創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)傳輸通道，這時客戶端上傳到云平臺的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)會直接被轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測系統(tǒng)中。為了系統(tǒng)在云端的數(shù)據(jù)順利傳輸，需要在云端建一個緩沖區(qū)保存緩沖數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)內(nèi)部使用先進先出隊列傳輸方式，當實時數(shù)據(jù)被云端快速獲取時，監(jiān)測系統(tǒng)端若因數(shù)據(jù)傳輸滯緩導(dǎo)致部分延時，借助緩沖區(qū)仍然能正常傳輸，因此數(shù)據(jù)流不會受到影響。

“莊稼一枝花，全靠肥當家”，除了天道酬勤，農(nóng)民的豐收也離不開優(yōu)質(zhì)的肥料和專業(yè)的農(nóng)資服務(wù)隊伍。作為在“稻花香”的熏陶中長大的一代農(nóng)資人，吉林省忠仁農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料有限責任公司總經(jīng)理姜友善對農(nóng)民的辛勞有著深刻的體會。他從小就有一個夢想，那就是幫助農(nóng)民種好地，讓他們能夠勤勞致富，過上像城里人一樣體面的生活。

3.3 數(shù)據(jù)解析模塊實現(xiàn)

JSON數(shù)據(jù)通過云平臺進行解析，把需要的數(shù)據(jù)保存在云平臺數(shù)據(jù)庫中；再通過消息管理模塊實現(xiàn)硬件系統(tǒng)消息的接收和管理。由于接收到的數(shù)據(jù)格式是JSON格式，需將所用的數(shù)據(jù)通過一定編碼提取出來再保存至數(shù)據(jù)庫，最終通過通信鏈路和網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)娇蛻舳瞬@示消息。

3.4 監(jiān)測界面數(shù)據(jù)更新實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用多線程進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，采用4G網(wǎng)關(guān)中2路Socket實現(xiàn)通信連接，使用遞歸循環(huán)的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的實時接收及數(shù)據(jù)的實時更新；系統(tǒng)將液位傳感器數(shù)據(jù)獲取、顯示等功能分配給不同的線程實現(xiàn)并行運行，同時可以及時準確地監(jiān)測到排水管網(wǎng)的各類數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)接收過程如圖3所示。

圖3 接收數(shù)據(jù)流程

3.5 報警功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)加入了異常報警功能的設(shè)計，通過監(jiān)測系統(tǒng)對水位數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，可以直接在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)異常，監(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)中，最重要的就是報警閾值的設(shè)置。閾值的大小決定了監(jiān)測點是否報警以及報警總數(shù)的多少，是一個監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)。若超過設(shè)定的閾值，就會在云平臺上以報警信息顯示，包括報警總數(shù)、已處理和未處理報警數(shù)量以及報警的設(shè)備地址。在正常情況下，用0表示正常狀態(tài)（不報警），用1表示異常狀態(tài)（發(fā)出報警）。

4 系統(tǒng)測試驗證

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

（1）設(shè)備管理功能測試

測試方法：登錄系統(tǒng)，將侵入式液位監(jiān)測裝備與4G網(wǎng)關(guān)連接，4G網(wǎng)關(guān)與本系統(tǒng)連接，正常情況下可以看到經(jīng)過配置的設(shè)備上線。將其中一個4G網(wǎng)關(guān)保持通電狀態(tài)，另一個4G網(wǎng)關(guān)斷開，以檢測設(shè)備上下線的識別以及提醒功能。

測試結(jié)果：在系統(tǒng)首頁可以觀察到在線設(shè)備數(shù)量、離線設(shè)備數(shù)量以及每個設(shè)備的名稱、SN設(shè)備碼、地址，還可以實現(xiàn)編輯、同步、數(shù)據(jù)調(diào)試與刪除、運行組態(tài)等功能。每當其中一個設(shè)備上線，右上角將彈出上線的設(shè)備信息，還可以看到該設(shè)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(shù)值已經(jīng)超過了排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置的閾值，等待系統(tǒng)報警。

測試結(jié)果：經(jīng)過報警功能測試，監(jiān)測系統(tǒng)向4G網(wǎng)關(guān)內(nèi)的SIM卡發(fā)送了報警信息，證明系統(tǒng)對超過閾值水位數(shù)據(jù)進行了報警，并將報警信息儲存到云端數(shù)據(jù)庫中，報警總數(shù)、未處理的報警數(shù)量和已處理的報警數(shù)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(wǎng)關(guān)設(shè)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(jiān)測點位置配置4G網(wǎng)關(guān)設(shè)備，設(shè)備通過定位功能向基站發(fā)送位置信息，是否每一個配置好的4G網(wǎng)關(guān)設(shè)備都會顯示在地圖中。

測試結(jié)果：在無錫太湖學(xué)院北區(qū)某排水管網(wǎng)內(nèi)配置多個4G網(wǎng)關(guān)，在云平臺的地圖上顯示其定位，測試通過。

5 結(jié) 語

本文主要論述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在線排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方法，該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用云平臺的物解析、物接入功能，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺來實現(xiàn)的。通過系統(tǒng)測試，該在線排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)具有實時、便捷、可操作等優(yōu)點，使管理人員能夠?qū)崟r獲取排水管監(jiān)測有效數(shù)據(jù)，從而正確快速地輔助管理人員解決出現(xiàn)的問題。