基于物联网的智能管控云平台设计与实现

周腾飞

(新疆电子研究所股份有限公司,新疆,乌鲁木齐 830013)

0 引言

地下水井的监测与对地下水的监测不同,由于在对水井的使用过程中,需要保证供水的正常进行,同时控制用水量以防止对井的过度使用导致水井干枯、地面沉降、地下水枯竭等危害。因此,对城市地下水的用量进行监测以及对地下井的管理尤为重要。城市地下水用水量监测是通过对城市地下井的数据进行收集和梳理,对地下井的状况进行用井识别和评估,停用一些坏井及不符合政策要求的井。并根据井的情况设置定额水量,确定对地下水的使用是在合理的范围,以更好的保护城市地下水资源。

随着物联网技术的不断发展和智慧城市的兴起,物联网在各个领域都展示了重要的应用前景。物联网技术借助传感器的加装实现了设备数据的自动化实时采集,避免了人工采集的不准确和延迟问题[1]。同时,采集到的数据通过数据挖掘和分析,可以提取出用户所需的有价值的信息。在用电管理方面,物联网技术能够实时监测用户剩余电量,并智能地控制电量阀门的开闭,从而实现对用电的实时监测和控制。这种技术的应用使得用户能够更加高效地使用电力资源,提高用电的效率[2]。在智能安防领域,物联网技术在应用、传输和感知3个层面提供了多种可应用的技术。例如,通过应用RFID、各类感应探头和数据采集装置,可以实现对设备的实时门禁、报警和监控[3-4]。这种技术的应用大大提升了安防系统的运行效能和响应速度。此外,在供水管理领域也可以看到物联网技术的应用。一些国内高校已经开始使用物联网技术来实现供水管理的全过程的监测和控制[5]。

目前,在地下水供水的过程中存在一些问题。首先,机电井数量较大,供水用水种类可能复杂多样,同时还存在一些偷水情况。其次,管网分布大,失水排查难、检修难。再次,目前用水情况是先用水后缴付,用户拖欠水费的问题时有发生,不利于资金回收。另外,对一些用户来说,由于采用的是按时计费,水流速和流量的不同会导致同样时间用水量的不同,从而产生收费不公平的现象。如何实现对用水的精细化管理,从而增加对水资源的保护以及用户体验还需更进一步探索。因此,有必要根据供水中的一些问题,建立一个完善的供水管理系统,同时随着云平台技术的日益成熟,使系统部署在云平台上成为可能。[6]

1 系统设计

1.1 系统总体架构

物联网的标准体系架构有3层,分别为感知层、传输层和应用层[7]。基于此,本文采用4层架构来进行设计,分别为智能感知层、传输层、平台层和应用层。智能感知层主要利用传感器对电流电压、门禁信息、流量计等信息进行采集,同时把传统计算机无法处理的输出信息转换为其易于处理的数字信息。传输层负责传递和处理感知层获取的信息,通过LoRa等长距离通信技术将采集到的数据通过该层传输到平台进行处理。平台层主要对各种数据进行分析和处理,为应用层提供服务。应用层主要为用户提供服务,如实时查看设备运行状况、用水情况等。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

1.2 系统硬件设计

硬件系统主要由电源管理单元、过压保护器、超声波水表、门禁、通信模块等部件组成,如图2所示。其中,过压保护器、电流监测装置、自耦降压启动柜用来对水泵的运行状况进行监测及控制。门禁装置是保护设备以及水资源,防止人为破环及偷水情况的发生。物联网控制器是其核心组件,本文选用226XP-12MR-DC-2AD-2CTL型,其工作电压为24 V直流电,它能够完成对整个物联网终端设备工作的控制,并且能够通过LoRa通信模块将信息结果传输到平台层进行展示处理,从而达到对地下水进行智能监控的目的。

图2 系统结构图

1.3 软件系统设计

软件系统由地下水管控云平台Web网站、手机App构成,采用目前主流的Spring Boot架构对系统进行设计开发。

1.3.1 软件开发环境

手机App基于Android 5.5并选用Android Studio+Android SDK做为软件开发环境。Web网站的开发环境为IntelliJ IDEA,并利用HTML、JavaScript、CSS、jQuery、Ajax等常用的前端技术进行前端页面设计,用Java开发语言进行后端开发[8]。数据库采用轻量级的MySQL数据库。

1.3.2 软件功能模块设计

根据系统功能需要原则,将系统划分为如下几个功能模块。

(1) 数据可视化模块

采用数据可视化技术,以GIS地理信息系统为基础,将机电井信息、运行信息、告警信息等合理地布局在数据可视化界面中,采用多级可视化方案,从总体到细节全面展示现场情况。

(2) 系统管理模块

对系统使用者进行分级管理,对用户角色进行自定义,并根据角色设置其相应的权限。权限管理可对系统的每个页面、每个操作按钮进行用户权限对应,让不同的角色用户快速找到自己所需的应用界面。同时,为了提高系统安全性,用户需要在登录后才能使用系统,登录时,系统自动将登录信息和数据库中保存的信息进行比对,相同时才登录成功。用户在使用系统时,系统会以日志记录每个用户对系统的操作,从而可以在出现问题后对操作事件进行溯源。

(3) 在线监测模块

系统管理员可以根据需要设定上报周期,将现场所采集信息定时上报至云服务器,服务器将数据包解析后存放至制定的数据库内,数据监控程序运行时将最后一次接收到的机电井现场以列表方式展示。同时,用户可以根据需要对某眼机电井或选择的井群发出实时信息采集指令,该指令被对应的机电井终端接收后,现场将执行数据采集程序,并将此刻机电井的数据采集完成后发送至平台,平台管理者可看到机电井的及时数据。

(4) 机电井管理模块

采用数据表单方式,实现对机电井基础信息的增、删、改、查的管理工作,同时判断水位的高度以确定该井的好坏程度。

(5) 智能运维模块

机电井现场通信模块每分钟与平台进行一次心跳通信,确保现场终端与平台的链接链路正常,若现场供电故障、4G通信链路故障、平台与机电井在30 min内没有重新建立心跳通信,实时信息采集模块将输出通信失联报警信息。

智能运维模块是一种通过运用人工智能技术来降低人工判断和干预的辅助工具,旨在提高系统的运行效能和可靠性。主要负责平台指令远程断电停泵、现场水泵的启停授权、配置运行参数维护、计量设备安装及维护记录、物联网通信卡到期管理、现场故障的记录及处置记录、设备故障的智能分析、管理机电井巡查执法记录及相应的报表统计。此模块可实现智能判断设备运行情况以及是否有无疑似“盗水”现象,同时能够下发停泵指令,达到对水泵的控制。

(6) 费用征收管理模块

费用征收管理模块对水费进行水价设置,系统根据用户使用情况显示其应缴信息。用户可以在此平台进行用水量、水价政策等查询,同时可以在此模块对水费进行缴纳。不同的用户根据其用水及缴费情况将有不同的受信额度,若超过受信额度自降耦合装置将关闭水泵,用户只有在缴费后才能用水。

(7) 短信服务模块

短信服务模块是在云服务平台中内置的短信通信功能,使用时先在系统中编辑相应的短信服务模板库,在系统运行的过程中条件触发发送短信,为系统管理方、维护方、现场执法方、水资源使用方提供优质的服务。此模块能够实现对短信内容分类管理,提供各类报警通知服务。

(8) 数据分析及报表上传模块

数据分析及报表上传模块主要完成对地下水采掘数据的汇总分析,根据设定周期自动统计该时间段的用水报表,使管理者对年度计划采掘水量、当前累计用水量、当前确权水量有明确的感知,并为下一步用水计划、节水措施提供数据支持。

2 系统测试

2.1 通讯测试

判断系统通信稳定性的主要指标为丢包率。在本次测试中,对3个传感器节点进行丢包率测试,在24 h内向平台发送同一数据,对接收情况进行查看。结果如表1所示。

表1 丢包率结果表

根据丢包率公式可以计算得到丢包率为1.4%,能够满足对数据实时准确的采集,能够满足系统要求。

2.2 系统平台测试

(1) 数据可视化界面

数据可视化页面可将机电井的各项信息以及各种用水信息进行全面直观的展示,同时可以根据需要进入下级可视化界面进行信息查看。

(2) 在线监测模块

在线监测界面可以对需要进行在线监测的机电井信息进行搜索查看,该页面显示该机电井的设备详细信息以及实时运行信息,同时可以下发开停井指令控制水泵的运行状态。

(3) 系统管理模块

系统管理模块可以对系统用户进行增、删、改、查操作,设置不同用户的角色,同时可以对用户角色进行管理,不同角色对应不同的权限。用不同角色的账号进行登录,显示不同的功能模块。

(4) 短息服务模块

短信服务模块可以根据不同角色对发送短信的用户进行管理,使每种角色接收到其需要知道的短信信息。同时,可以对警报的阈值进行设定,若超出阈值,则进行报警短信通知。

(5) 数据分析模块

在数据分析模块,选择需要分析的数据,根据需要进行设置,可查看得到相应的图表结果。点击导出,这些图表将以对应的形式导出保存。

3 总结

针对目前地下水资源智能化管控平台缺失,本文把物联网技术运用到地下水供水的管理中,提出了基于物联网技术的地下水智能管控云平台,平台包括机电井管理、在线监测、数据可视化、运维管理、数据分析等模块,实现对水资源的智能管控、全方位的展示用水信息,为决策者提供数据分析等数据依据。目前平台已上线,正处于试运行阶段,平台运行稳定,提高了对地下水的智能化管理,具有实用价值和推广价值,获取的用水数据也为之后研究奠定了基础。