基于物聯(lián)網(wǎng)的校園智慧水務(wù)信息管理平臺研究

陸 青, 鄧敏茜, 李春玲

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 南寧 530007)

當(dāng)前我國水務(wù)環(huán)保行業(yè)市場化規(guī)模逐漸擴(kuò)大,各地高校逐步實(shí)現(xiàn)對校園內(nèi)部水務(wù)的自主管理。 由于校園內(nèi)部水務(wù)管理起步晚,在實(shí)際管理中存在信息傳遞脫節(jié)、管理水平不統(tǒng)一、重點(diǎn)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(wù)進(jìn)行全面、實(shí)時和動態(tài)的監(jiān)督與管理。當(dāng)前校園內(nèi)部水務(wù)管理的問題具體體現(xiàn)在以下方面:首先,水資源基本信息缺乏,一些水情監(jiān)測只能依靠人力解決,監(jiān)測精度低、頻率低,監(jiān)測廣度等基本要素缺乏[1];其次,沒有專門的數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)的存儲、處理等技術(shù)還需要不斷完善,資源共享強(qiáng)度需加強(qiáng)。 本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開展對校園智慧水務(wù)信息管理平臺的設(shè)計(jì)研究。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧水務(wù)信息管理平臺

1.1 平臺框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校園智慧水務(wù)信息管理包括供水管理、泵房管理和水量管理。 為實(shí)現(xiàn)對校園水務(wù)信息的管理,根據(jù)其基本需要,對管理平臺的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。校園智慧水務(wù)信息管理平臺包括監(jiān)控層、感知層和應(yīng)用層,見圖1。

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

監(jiān)控層包括監(jiān)控主機(jī)和視頻機(jī),用來管控水務(wù)的生產(chǎn)設(shè)備、管網(wǎng)設(shè)備和終端設(shè)備,并感知水源、水廠、室內(nèi)、室外和傳感器等信息;感知層包括生產(chǎn)設(shè)備、管網(wǎng)設(shè)備和終端設(shè)備;應(yīng)用層包括水源、水廠、室內(nèi)、室外和傳感器。

平臺包含的硬件和軟件可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測,并將采集的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)將其傳輸?shù)狡脚_數(shù)據(jù)庫中并實(shí)現(xiàn)集中處理[2]。 通過平臺應(yīng)用,將校園用水實(shí)時水質(zhì)情況傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)測中心,另外,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)精確把握不同用水量需求,及時調(diào)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(wù)信息管理平臺運(yùn)行的關(guān)鍵,根據(jù)平臺的運(yùn)行及功能需求,平臺應(yīng)用具備流量監(jiān)測傳感器和水質(zhì)監(jiān)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(yōu)點(diǎn),而水質(zhì)監(jiān)測傳感器應(yīng)用于自來水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測,將流量傳感器和水質(zhì)監(jiān)測傳感器與管道水平布局銜接,傳感器性能指標(biāo)見表1。 通過各硬件結(jié)構(gòu)配合,將水務(wù)信息上傳到平臺管理中心,為后續(xù)對水務(wù)信息的管理提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

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

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)水務(wù)信息數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

1.3.1 數(shù)據(jù)傳輸

本文涉及的校園智慧水務(wù)信息管理平臺包含兩種數(shù)據(jù)傳輸方式:一種通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對所需水務(wù)信息數(shù)據(jù)的采集,通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并將所獲取的數(shù)據(jù)以統(tǒng)一格式存儲在平臺數(shù)據(jù)庫當(dāng)中;另一種在平臺中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入入口,由管理人員直接對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入[3]。 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)傳輸中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硪妶D2。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的水務(wù)信息傳輸原理Fig.2 Principles of water information transmission based on the Internet of Things

由于水務(wù)設(shè)備種類多,下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)種類也較多,從底層計(jì)算機(jī)向上層計(jì)算機(jī)傳送的海量數(shù)據(jù)流將給平臺數(shù)據(jù)庫帶來很大的負(fù)荷,為合理利用數(shù)據(jù)庫的存儲空間,同時滿足水務(wù)信息管理對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?必須設(shè)置適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集發(fā)送頻率。根據(jù)通訊協(xié)議和實(shí)際條件,設(shè)計(jì)下位機(jī)的傳輸頻率為10 幀/min。

在具體傳輸過程中,通過建立的物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)來獲取原始數(shù)據(jù),再將其發(fā)送到匯聚單元,物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)所收集到的數(shù)據(jù)由匯聚單元進(jìn)行預(yù)處理。通過物聯(lián)網(wǎng)向節(jié)點(diǎn)傳送經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)由平臺服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收[4-6]。 在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時,如果水質(zhì)數(shù)據(jù)與傳感器數(shù)據(jù)存在線性關(guān)系,可采用線性轉(zhuǎn)換方法完成。 該轉(zhuǎn)換公式(1)見下式:

式中:A表示線性變換后的數(shù)據(jù);Nm表示A/D 變換后的數(shù)字;N0表示A/D 變換前的數(shù)字;Am表示測量數(shù)據(jù)范圍的最大值;A0表示被測數(shù)據(jù)量程下限;B表示測量數(shù)據(jù)的最低限度。

1.3.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

管理平臺的核心功能是實(shí)現(xiàn)對水務(wù)信息的監(jiān)管,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存入數(shù)據(jù)庫。 在管理時,根據(jù)需要獲取數(shù)據(jù)庫中的信息,并在上位機(jī)展示,實(shí)現(xiàn)管理功能。 在本平臺的開發(fā)過程中,數(shù)據(jù)庫的工作流程見圖3。

圖3 管理平臺數(shù)據(jù)庫基本工作流程Fig.3 Basic workflow of managing platform databases

1.4 水務(wù)設(shè)備管理與信息可視化展示

管網(wǎng)出現(xiàn)緊急情況時,平臺可立即獲取異常泵站閥門的監(jiān)管權(quán),并遠(yuǎn)程改變泵站運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對緊急情況的快速響應(yīng)。 為進(jìn)一步提升管理性能,在平臺中應(yīng)用遠(yuǎn)程控制和技術(shù)預(yù)警處理雙層保障體系。 水務(wù)設(shè)備管理中的危機(jī)處理流程見圖4。

圖4 水務(wù)設(shè)備管理中危機(jī)處理流程Fig.4 Crisis handling process in water equipment management

除了對水泵網(wǎng)管運(yùn)行情況的實(shí)時監(jiān)控與管理外,在平臺上增加可視化展示模塊展示水務(wù)信息,更進(jìn)一步掌握校園內(nèi)用水用戶對水資源的需求情況。根據(jù)規(guī)律進(jìn)行對水資源的優(yōu)化調(diào)度,提升水資源的使用效率。 在對水務(wù)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(diǎn)展示數(shù)據(jù),以此實(shí)現(xiàn)對一定時期內(nèi)水資源用量變化的分析,實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化調(diào)度,提高水務(wù)信息管理成效。

2 對比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述論述,從理論方面實(shí)現(xiàn)了對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管理平臺的設(shè)計(jì)。 為驗(yàn)證該平臺在實(shí)際應(yīng)用中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對校園智慧水務(wù)信息的有效管理,將基于SOA 架構(gòu)的管理平臺、基于云計(jì)算的管理平臺和本文設(shè)計(jì)平臺分別作為對照A 組、對照B組和實(shí)驗(yàn)組,對設(shè)計(jì)的管理平臺進(jìn)行效果驗(yàn)證。 三組管理平臺均在Eclipse 集成開發(fā)環(huán)境中,Windows64 位操作系統(tǒng)上運(yùn)行,利用J2EE 技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)開發(fā),并使用MySQL 數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲及管理,通過Tomcat 開元服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對平臺內(nèi)各項(xiàng)功能的部署,并選用同一服務(wù)器和同一網(wǎng)絡(luò)下,進(jìn)行海量水務(wù)信息數(shù)據(jù)的管理。

選擇平臺的管理數(shù)據(jù)量作為評價指標(biāo),平臺能夠管理的數(shù)據(jù)量越大,則說明平臺運(yùn)行性能越優(yōu),反之,則說明平臺運(yùn)行性能越差,結(jié)果見圖5。

圖5 三種管理平臺運(yùn)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(yùn)行時間,實(shí)驗(yàn)組平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對800～1 000 Mbits 數(shù)據(jù)量的水務(wù)信息管理,而對照A 組和對照B 組管理平臺數(shù)據(jù)量最多僅為625 Mbits。 運(yùn)行5 h 時,對照B 組出現(xiàn)數(shù)據(jù)量缺失的問題,主要原因是對照B 組處理的水務(wù)信息過多,平臺無法實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的管理平臺可以實(shí)現(xiàn)對多數(shù)據(jù)量水務(wù)信息的管理,且其管理效率高于其它平臺。

3 結(jié)語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到校園智慧水務(wù)信息管理中,基于該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,構(gòu)建一種新的水務(wù)管理平臺,該管理平臺可為校園智慧水務(wù)管理提供有利的技術(shù)條件。 未來還將結(jié)合更多現(xiàn)代化的技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對校園水務(wù)信息的全面監(jiān)管,構(gòu)建更加強(qiáng)大的校園水務(wù)管理體系。