基于4G-DTU的用水信息管理系统

麦伟明

技术应用

基于4G-DTU的用水信息管理系统

麦伟明

（广东省中山市质量计量监督检测所，广东 中山 528403）

基于4G-DTU设计用水信息管理系统。该系统采用智能水表采集监测点用水数据；利用4G-DTU传输实时采集的用水数据至云服务器并保存于数据库，实现各监测点用水数据显示、故障报警及历史数据查询分析等功能。实际应用测试结果表明：该系统运行稳定，满足用水数据实时监测的需求，为推进节水型社会建设提供数据依据。

4G-DTU；智能水表；数据采集

0　引言

当前我国水资源面临的形势十分严峻，水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题日益突出，已成为制约社会经济可持续发展的主要瓶颈。建立科学健全的水资源监测、用水计量及统计等管理方法，对推进节水型社会建设有重要意义。

目前，国内用水管理大多采用人工抄表的方式，抄表时间间隔较长，且耗费人力。而现有的供水自动化数据采集系统多采用封闭内网结构[1-3]，存在传输速度慢、通信距离短等问题，在远距离布点及不方便布置内网结构的监控场所无法使用。因此需要建立一个集数据采集和分析为一体的实时用水在线管理系统，为水资源监测部门提供技术支持。为此，本文设计一套用水信息管理系统，实现多点用水情况实时监测和管理。

1　系统整体结构

基于4G-DTU的用水信息管理系统整体结构如图1所示，由智能水表、4G-DTU模块及云服务器等组成。其主要工作过程为：智能水表采集每个监测点的用水数据，并定时将采集的数据通过串口总线RS485传给4G-DTU模块；4G-DTU模块接收数据并进行处理；数据通过4G无线网络传输到云服务器并存储至数据库；PC客户端展示界面实现各监测点用水数据的实时更新发布、显示、故障报警及历史数据查询分析。

图1　基于4G-DTU的用水信息管理系统整体结构

基于4G-DTU的用水信息管理系统主要功能包括：用水流量参数实时采集、分段用水总量参数采集、用水量数据统计及存储、用水量超限警示、PC客户端展示界面显示用水信息。其特点有：

1）云服务器及数据库支持终端数据的实时更新，实现远程监测及管理；

2）不受地理位置和环境限制，只要有移动4G信号的地方都可实现数据传输，解决了传统监测系统封闭内网的不足；

3）具有通用性且易于扩展，对不同应用场景，只需确定多个采集点位置，并安置智能水表和4G- DTU模块即可。

2 系统硬件

基于4G-DTU的用水信息管理系统硬件包括智能水表和数据传输模块2部分。

2.1　智能水表

根据需求选择合适的智能水表[4]对系统至关重要。目前，使用较多的智能水表是电子远传水表，其主要有脉冲式和直读式[5]2类。其中脉冲式远传水表成本较低，可输出瞬时流量，但水表寿命受电池寿命限制；光电直读式远传水表具有数据准确性高、无需电源供电、使用寿命长等特点，是当前小口径远传水表的主流。本系统选用光电直读式远传水表。

光电直读式远传水表采用MODBUS-RTU通讯协议，并通过RS485通信接口把数据传输给4G-DTU。该协议在一根通讯线上采用主从应答方式，只允许在主机和终端设备之间通讯，而不允许独立的终端设备之间进行数据交换。这样各终端设备不会在初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。每个水表设置唯一的地址码，被主机寻址到的水表回应包含该地址的查询，即可建立主机与该水表之间的通讯。

2.2　数据传输模块

DTU是将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，并通过无线通信网络为用户提供无线数据传输的终端设备。

系统选用USR-G780 4G-DTU模块实现数据的传输。其主要由CPU控制模块、4G无线通信模块以及电源模块构成，数据传输速率快、容量大、通信费用较低，且不受地理位置和环境的限制，具有较好的实时性[6-8]。

4G-DTU工作模式为网络透传模式，连接服务器模式为TCP长连接，以保证DTU与服务器相连；启用注册包，对每个4G-DTU设置唯一设备编号，实现数据上传时云服务器可识别DTU。

3　系统软件

基于4G-DTU的用水信息管理系统软件包括数据采集程序、PC客户端展示界面和数据库数据管理系统。

3.1　数据采集程序

数据采集程序主要实现数据的采集及储存。

数据采集程序实现的功能有：监控服务器IP端口、监听4G-DTU的TCP连接请求、通过3次握手与4G-DTU建立连接后开始通信、在线接收4G-DTU上传的数据包。数据采集程序接收到4G-DTU上传数据包后，按照数据包格式定义进行校验和数据解析，并将数据存入数据库。系统数据采集程序流程如图2所示。

图2　数据采集程序流程图

3.2　PC客户端展示界面

PC客户端展示界面可显示每个水表本日、本月、本季以及本年的用水数据和本月用水消耗曲线图。设置用水数据采集间隔为1 h，每小时用水量可更新检测，同时用水量超过预设值会发出警报，警示是否存在水管爆裂等问题。某企业的用水信息管理系统PC客户端展示界面如图3所示，实现对企业9个监测点用水流量的实时监控，包括总用水量、主楼的1层~3层、4层~12层和13层~22层用水、副楼的1层~3层和4层~5层用水、绿化用水量、饭堂用水以及洗车用水，每小时刷新一次数据，同时本月用水消耗图能直观反映用水趋势。

图3　PC客户端展示界面

3.3　数据库数据管理系统

对用水情况进行科学管理，需分析采集的大量用水数据，为此建立用水数据库数据管理系统，其功能模块结构如图4所示。

图4　数据库数据管理系统功能模块结构

数据库数据管理系统主要功能包括：

1）数据的存储、导入及导出；

2）各个水表用水数据的按需查询；

3）PC客户端展示界面的数据更新；

4）系统器具管理的更新、删除及修改；

5）用户信息安全管理。

4　系统应用

2018年，本文设计的用水信息管理系统应用于有节水改造需求的某企业，对企业9个监测点用水流量进行实时监控，采集数据如图3所示。经过近2年时间的实际应用，系统运行情况良好，无断点漏采现象。

5　结论

本文设计的基于4G-DTU的用水信息管理系统，实现了对多个用水监测点的数据采集、显示、故障报警及历史数据查询分析。经实际应用测试，该系统运行稳定，效果良好。

[1] 陆维.自动抄表系统在供水抄表中的实际应用[J].自动化与信息工程,2009,30(2):37-39.

[2] 李红卫,玄惠萍.自动抄水表系统现状及发展动向[J].中国计量,2001,7(2):39-40.

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[6] 李双喜,徐识溥,刘勇,等.基于4G无线传感网络的大田土壤环境远程监测系统设计与实现[J].上海农业学报,2018,34(5): 105-110.

[7] 崔心惠.基于4G网络的污水处理远程监控系统研究与应用[D].马鞍山:安徽工业大学,2018.

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Water Information Management System Based on 4G-DTU

Mai Weiming

（Zhongshan Supervision Testing Institute of Qulity&Metrology, Zhongshan 528403, China）

An information management system for water based on 4G wireless networks is designed in this paper. This system uses smart water meter to collect data of water at each monitoring point, the 4G DTU is used to transfer the data from field acquisition to server and save its in database, finally data display, fault alarm and historical data query are realized in the information management system. The experiment results show that the system is stable and meet the requirements of real-time monitoring of the information of water. It provides data basis for promoting the development of water-saving society.

4G-DTU; smart water meter; data acquisition

麦伟明，男，1961年生，工程师，主要研究方向：长度力学计量技术。E-mail: 13703041146@139.com

TN92

A

1674-2605(2020)03-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.008