基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管控云平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周騰飛

(新疆電子研究所股份有限公司,新疆,烏魯木齊 830013)

0 引言

地下水井的監(jiān)測與對地下水的監(jiān)測不同,由于在對水井的使用過程中,需要保證供水的正常進(jìn)行,同時(shí)控制用水量以防止對井的過度使用導(dǎo)致水井干枯、地面沉降、地下水枯竭等危害。因此,對城市地下水的用量進(jìn)行監(jiān)測以及對地下井的管理尤為重要。城市地下水用水量監(jiān)測是通過對城市地下井的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和梳理,對地下井的狀況進(jìn)行用井識別和評估,停用一些壞井及不符合政策要求的井。并根據(jù)井的情況設(shè)置定額水量,確定對地下水的使用是在合理的范圍,以更好的保護(hù)城市地下水資源。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和智慧城市的興起,物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域都展示了重要的應(yīng)用前景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助傳感器的加裝實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動化實(shí)時(shí)采集,避免了人工采集的不準(zhǔn)確和延遲問題[1]。同時(shí),采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘和分析,可以提取出用戶所需的有價(jià)值的信息。在用電管理方面,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測用戶剩余電量,并智能地控制電量閥門的開閉,從而實(shí)現(xiàn)對用電的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。這種技術(shù)的應(yīng)用使得用戶能夠更加高效地使用電力資源,提高用電的效率[2]。在智能安防領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用、傳輸和感知3個(gè)層面提供了多種可應(yīng)用的技術(shù)。例如,通過應(yīng)用RFID、各類感應(yīng)探頭和數(shù)據(jù)采集裝置,可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)門禁、報(bào)警和監(jiān)控[3-4]。這種技術(shù)的應(yīng)用大大提升了安防系統(tǒng)的運(yùn)行效能和響應(yīng)速度。此外,在供水管理領(lǐng)域也可以看到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。一些國內(nèi)高校已經(jīng)開始使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)供水管理的全過程的監(jiān)測和控制[5]。

目前,在地下水供水的過程中存在一些問題。首先,機(jī)電井?dāng)?shù)量較大,供水用水種類可能復(fù)雜多樣,同時(shí)還存在一些偷水情況。其次,管網(wǎng)分布大,失水排查難、檢修難。再次,目前用水情況是先用水后繳付,用戶拖欠水費(fèi)的問題時(shí)有發(fā)生,不利于資金回收。另外,對一些用戶來說,由于采用的是按時(shí)計(jì)費(fèi),水流速和流量的不同會導(dǎo)致同樣時(shí)間用水量的不同,從而產(chǎn)生收費(fèi)不公平的現(xiàn)象。如何實(shí)現(xiàn)對用水的精細(xì)化管理,從而增加對水資源的保護(hù)以及用戶體驗(yàn)還需更進(jìn)一步探索。因此,有必要根據(jù)供水中的一些問題,建立一個(gè)完善的供水管理系統(tǒng),同時(shí)隨著云平臺技術(shù)的日益成熟,使系統(tǒng)部署在云平臺上成為可能。[6]

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)有3層,分別為感知層、傳輸層和應(yīng)用層[7]。基于此,本文采用4層架構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì),分別為智能感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層。智能感知層主要利用傳感器對電流電壓、門禁信息、流量計(jì)等信息進(jìn)行采集,同時(shí)把傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的輸出信息轉(zhuǎn)換為其易于處理的數(shù)字信息。傳輸層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息,通過LoRa等長距離通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)通過該層傳輸?shù)狡脚_進(jìn)行處理。平臺層主要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層主要為用戶提供服務(wù),如實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀況、用水情況等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由電源管理單元、過壓保護(hù)器、超聲波水表、門禁、通信模塊等部件組成,如圖2所示。其中,過壓保護(hù)器、電流監(jiān)測裝置、自耦降壓啟動柜用來對水泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測及控制。門禁裝置是保護(hù)設(shè)備以及水資源,防止人為破環(huán)及偷水情況的發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)控制器是其核心組件,本文選用226XP-12MR-DC-2AD-2CTL型,其工作電壓為24 V直流電,它能夠完成對整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備工作的控制,并且能夠通過LoRa通信模塊將信息結(jié)果傳輸?shù)狡脚_層進(jìn)行展示處理,從而達(dá)到對地下水進(jìn)行智能監(jiān)控的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由地下水管控云平臺Web網(wǎng)站、手機(jī)App構(gòu)成,采用目前主流的Spring Boot架構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

1.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

手機(jī)App基于Android 5.5并選用Android Studio+Android SDK做為軟件開發(fā)環(huán)境。Web網(wǎng)站的開發(fā)環(huán)境為IntelliJ IDEA,并利用HTML、JavaScript、CSS、jQuery、Ajax等常用的前端技術(shù)進(jìn)行前端頁面設(shè)計(jì),用Java開發(fā)語言進(jìn)行后端開發(fā)[8]。數(shù)據(jù)庫采用輕量級的MySQL數(shù)據(jù)庫。

1.3.2 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需要原則,將系統(tǒng)劃分為如下幾個(gè)功能模塊。

(1) 數(shù)據(jù)可視化模塊

采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù),以GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ),將機(jī)電井信息、運(yùn)行信息、告警信息等合理地布局在數(shù)據(jù)可視化界面中,采用多級可視化方案,從總體到細(xì)節(jié)全面展示現(xiàn)場情況。

(2) 系統(tǒng)管理模塊

對系統(tǒng)使用者進(jìn)行分級管理,對用戶角色進(jìn)行自定義,并根據(jù)角色設(shè)置其相應(yīng)的權(quán)限。權(quán)限管理可對系統(tǒng)的每個(gè)頁面、每個(gè)操作按鈕進(jìn)行用戶權(quán)限對應(yīng),讓不同的角色用戶快速找到自己所需的應(yīng)用界面。同時(shí),為了提高系統(tǒng)安全性,用戶需要在登錄后才能使用系統(tǒng),登錄時(shí),系統(tǒng)自動將登錄信息和數(shù)據(jù)庫中保存的信息進(jìn)行比對,相同時(shí)才登錄成功。用戶在使用系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)會以日志記錄每個(gè)用戶對系統(tǒng)的操作,從而可以在出現(xiàn)問題后對操作事件進(jìn)行溯源。

(3) 在線監(jiān)測模塊

系統(tǒng)管理員可以根據(jù)需要設(shè)定上報(bào)周期,將現(xiàn)場所采集信息定時(shí)上報(bào)至云服務(wù)器,服務(wù)器將數(shù)據(jù)包解析后存放至制定的數(shù)據(jù)庫內(nèi),數(shù)據(jù)監(jiān)控程序運(yùn)行時(shí)將最后一次接收到的機(jī)電井現(xiàn)場以列表方式展示。同時(shí),用戶可以根據(jù)需要對某眼機(jī)電井或選擇的井群發(fā)出實(shí)時(shí)信息采集指令,該指令被對應(yīng)的機(jī)電井終端接收后,現(xiàn)場將執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序,并將此刻機(jī)電井的數(shù)據(jù)采集完成后發(fā)送至平臺,平臺管理者可看到機(jī)電井的及時(shí)數(shù)據(jù)。

(4) 機(jī)電井管理模塊

采用數(shù)據(jù)表單方式,實(shí)現(xiàn)對機(jī)電井基礎(chǔ)信息的增、刪、改、查的管理工作,同時(shí)判斷水位的高度以確定該井的好壞程度。

(5) 智能運(yùn)維模塊

機(jī)電井現(xiàn)場通信模塊每分鐘與平臺進(jìn)行一次心跳通信,確?，F(xiàn)場終端與平臺的鏈接鏈路正常,若現(xiàn)場供電故障、4G通信鏈路故障、平臺與機(jī)電井在30 min內(nèi)沒有重新建立心跳通信,實(shí)時(shí)信息采集模塊將輸出通信失聯(lián)報(bào)警信息。

智能運(yùn)維模塊是一種通過運(yùn)用人工智能技術(shù)來降低人工判斷和干預(yù)的輔助工具,旨在提高系統(tǒng)的運(yùn)行效能和可靠性。主要負(fù)責(zé)平臺指令遠(yuǎn)程斷電停泵、現(xiàn)場水泵的啟停授權(quán)、配置運(yùn)行參數(shù)維護(hù)、計(jì)量設(shè)備安裝及維護(hù)記錄、物聯(lián)網(wǎng)通信卡到期管理、現(xiàn)場故障的記錄及處置記錄、設(shè)備故障的智能分析、管理機(jī)電井巡查執(zhí)法記錄及相應(yīng)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)。此模塊可實(shí)現(xiàn)智能判斷設(shè)備運(yùn)行情況以及是否有無疑似“盜水”現(xiàn)象,同時(shí)能夠下發(fā)停泵指令,達(dá)到對水泵的控制。

(6) 費(fèi)用征收管理模塊

費(fèi)用征收管理模塊對水費(fèi)進(jìn)行水價(jià)設(shè)置,系統(tǒng)根據(jù)用戶使用情況顯示其應(yīng)繳信息。用戶可以在此平臺進(jìn)行用水量、水價(jià)政策等查詢,同時(shí)可以在此模塊對水費(fèi)進(jìn)行繳納。不同的用戶根據(jù)其用水及繳費(fèi)情況將有不同的受信額度,若超過受信額度自降耦合裝置將關(guān)閉水泵,用戶只有在繳費(fèi)后才能用水。

(7) 短信服務(wù)模塊

短信服務(wù)模塊是在云服務(wù)平臺中內(nèi)置的短信通信功能,使用時(shí)先在系統(tǒng)中編輯相應(yīng)的短信服務(wù)模板庫,在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中條件觸發(fā)發(fā)送短信,為系統(tǒng)管理方、維護(hù)方、現(xiàn)場執(zhí)法方、水資源使用方提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。此模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對短信內(nèi)容分類管理,提供各類報(bào)警通知服務(wù)。

(8) 數(shù)據(jù)分析及報(bào)表上傳模塊

數(shù)據(jù)分析及報(bào)表上傳模塊主要完成對地下水采掘數(shù)據(jù)的匯總分析,根據(jù)設(shè)定周期自動統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段的用水報(bào)表,使管理者對年度計(jì)劃采掘水量、當(dāng)前累計(jì)用水量、當(dāng)前確權(quán)水量有明確的感知,并為下一步用水計(jì)劃、節(jié)水措施提供數(shù)據(jù)支持。

2 系統(tǒng)測試

2.1 通訊測試

判斷系統(tǒng)通信穩(wěn)定性的主要指標(biāo)為丟包率。在本次測試中,對3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行丟包率測試,在24 h內(nèi)向平臺發(fā)送同一數(shù)據(jù),對接收情況進(jìn)行查看。結(jié)果如表1所示。

表1 丟包率結(jié)果表

根據(jù)丟包率公式可以計(jì)算得到丟包率為1.4%,能夠滿足對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集,能夠滿足系統(tǒng)要求。

2.2 系統(tǒng)平臺測試

(1) 數(shù)據(jù)可視化界面

數(shù)據(jù)可視化頁面可將機(jī)電井的各項(xiàng)信息以及各種用水信息進(jìn)行全面直觀的展示,同時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)入下級可視化界面進(jìn)行信息查看。

(2) 在線監(jiān)測模塊

在線監(jiān)測界面可以對需要進(jìn)行在線監(jiān)測的機(jī)電井信息進(jìn)行搜索查看,該頁面顯示該機(jī)電井的設(shè)備詳細(xì)信息以及實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,同時(shí)可以下發(fā)開停井指令控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)。

(3) 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊可以對系統(tǒng)用戶進(jìn)行增、刪、改、查操作,設(shè)置不同用戶的角色,同時(shí)可以對用戶角色進(jìn)行管理,不同角色對應(yīng)不同的權(quán)限。用不同角色的賬號進(jìn)行登錄,顯示不同的功能模塊。

(4) 短息服務(wù)模塊

短信服務(wù)模塊可以根據(jù)不同角色對發(fā)送短信的用戶進(jìn)行管理,使每種角色接收到其需要知道的短信信息。同時(shí),可以對警報(bào)的閾值進(jìn)行設(shè)定,若超出閾值,則進(jìn)行報(bào)警短信通知。

(5) 數(shù)據(jù)分析模塊

在數(shù)據(jù)分析模塊,選擇需要分析的數(shù)據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置,可查看得到相應(yīng)的圖表結(jié)果。點(diǎn)擊導(dǎo)出,這些圖表將以對應(yīng)的形式導(dǎo)出保存。

3 總結(jié)

針對目前地下水資源智能化管控平臺缺失,本文把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到地下水供水的管理中,提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下水智能管控云平臺,平臺包括機(jī)電井管理、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)可視化、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)分析等模塊,實(shí)現(xiàn)對水資源的智能管控、全方位的展示用水信息,為決策者提供數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)依據(jù)。目前平臺已上線,正處于試運(yùn)行階段,平臺運(yùn)行穩(wěn)定,提高了對地下水的智能化管理,具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值,獲取的用水?dāng)?shù)據(jù)也為之后研究奠定了基礎(chǔ)。