物联网技术的在线排水管网监测系统

2022-09-21 16:44:23 来源:写作指导

物联网技术的在线排水管网监测系统

摘要:相比传统的人工排水管网监测方法,利用物联网技术可实现监测区域内排水管网实时数据的监测并进行实时预警,提高了排水管网监测系统的稳定性、便捷性和有效性。基于物联网技术的排水管网在线辅助监测的实现,主要利用分布在各区域内的液位传感器采集数据,然后通过4G网关将采集到的数据传输至云平台服务器端,云端对上传数据进行分布式存储并计算出监测设备的位置信息,再将处理后的各类数据发送给客户端用户,这样便于客户端用户动态了解排水管网实时状态并做出相应决策和处理。

关键词:物联网技术;液位监测;排水管网;4G网关;STM32;传感器

0引言

排水管网系统是指输送和排放污水、废水的管道以及附属设施组成的系统,是一座城市运营中的基本设施之一[1]。我国城市化发展进程不平衡,城乡区别大,污水、雨水管道还存在混接现象,日常排水管网的监测和疏通还较大程度依赖于传统人工记忆和经验管理[2]。网络信息化管理虽然得到普及,但排水管网在应用层面的监测设备没有真正实现数据在线实时监测,需要专人定期查表,导致监测区域内排水管网信息收集不全面、监测数据更新速度慢,无法真正及时有效地对排水管网系统的监测运行提供数据决策支持[3]。因此需要一款价廉物美且安装方便的在线排水管网监测系统来尽可能地避免上述问题。

1系统总体设计

本系统将液位传感器测量到的水位数据通过数据透传方式上传到有人云平台服务器,同时通过有人云平台的物接入和物解析功能,将测量到的数据及位置等信息发送给用户。开发的在线排水管网监测系统采用B/S架构,排水管网监测系统为客户端,有人云平台为服务器端,通过互联网建立客户端和服务器端的通信连接,实现排水管网的实时监测和数据传输。结合团队自身所掌握的知识和技术,归纳出系统总体设计的三个步骤,如图1所示。(1)4G网关与侵入式液位监测装备连接利用4G网关设备可以很方便地连接液位传感器设备和有人云服务器。网关先要进行设备查询管理设置,本系统使用USR-G770网关,通过Modbus协议实现与传感器的通信连接,最终将排水管网水位监测数据从设备上传到有人云平台。(2)4G网关将数据上传至云平台在有人云平台管理界面添加一个API网关用来获取4G网关上传的水位数据等,云平台会自动生成新的连接信息。通过有人云平台新建的API网关和网关子设备可以实现客户端液位传感器设备的连接,并能够实现排水管网监测系统中直接对设备进行信息编辑等功能。(3)排水管网监测系统的实现排水管网监测系统实现后,除了客户端具有良好的用户体验,系统还能实现实时水位数据获取、管网内情况自动报警、监测设备地图定位等功能。

2系统硬件设计

本系统使用的侵入式液位检测装备主要通过STM32开发板开发,调参后只需要通过协议与4G网关连接即可使用,具体如下。

2.1安装心跳包

在4G网关的网络数据透传模式作用下,设备连接后客户端会间歇性地向服务器发送数据,因此设置4G网关定时向有人云服务器端发送心跳包[4]。如果4G网关超过所设置的心跳间隔没有接收到串口设备的数据时,就会向云平台再次发送心跳包让其响应并回复;如果4G网关在所设置的心跳间隔内接收到串口设备发来的数据时,就会清除自身的计时并重新开始计时,这样做的主要目的是保持4G网关与云平台实时连接。

2.2主程序设计

系统主程序是一个无限循环程序,在4G网关与云平台连接之后,系统需要先完成程序中输入/输出端口、协议控制电路以及数据存储模块的初始化,然后再让程序继续执行液位数据采集任务。主程序还会对定时器进行初始化,初始化定时器后该系统才会自动采集液位传感器的数据[5]。主程序流程如图2所示。

2.3总线状态切换

为了使液位监测设备工作稳定,需要解决半双工总线收发切换延时问题。在RS485协议总线状态切换时需要做适当延时,以便数据正常收发。具体做法是在向系统发送数据的状态下,先将控制端置1,延时1ms左右,再发送有效的数据,一包数据发送结束后再延时1ms后,将控制端置0[6]。这样的处理会使总线在状态切换时有一个稳定的工作过程。2.4网关定位实现4G模块DTU终端设备USR-G770具有LBS基站定位功能,通过网络获取运营商提供的位置信息,定位精度一般在100m左右[7]。但此功能获取的并不是经纬度信息,需要将此信息给到第三方平台,并通过计算得到相应定位信息。

3系统软件设计与实现

3.1云平台的搭建

本系统是使用有人云平台进行辅助开发的,有人透传云主要是为解决设备与设备、设备与上位机(Android、IOS、PC)之间相互通信而开放的平台。透传云主要用来透传数据,接入设备几乎不须做修改便可接入实现远程透传数据[8]。透传云适用于远程监控、物联网、车联网、智能家居等领域,USR-G770也支持接入透传云。

3.2系统与云平台的连接

基于物联网技术的在线排水管网监测系统与有人云平台之间的数据交换需要通过两者之间的通信信道进行[9]。通信信道的建立,离不开控制算法的云节点。当监测系统通信模块与云节点生成的会话模块相连接后,云端服务器会自动为客户端创建一个数据传输通道,这时客户端上传到云平台的各类监测数据会直接被转发至监测系统中。为了系统在云端的数据顺利传输,需要在云端建一个缓冲区保存缓冲数据。缓冲区内部使用先进先出队列传输方式,当实时数据被云端快速获取时,监测系统端若因数据传输滞缓导致部分延时,借助缓冲区仍然能正常传输,因此数据流不会受到影响。

3.3数据解析模块实现

JSON数据通过云平台进行解析,把需要的数据保存在云平台数据库中;再通过消息管理模块实现硬件系统消息的接收和管理。由于接收到的数据格式是JSON格式,需将所用的数据通过一定编码提取出来再保存至数据库,最终通过通信链路和网关传输到客户端并显示消息。

3.4监测界面数据更新实现

本系统采用多线程进行数据采集和传输,采用4G网关中2路Socket实现通信连接,使用递归循环的方式,实现数据包的实时接收及数据的实时更新;系统将液位传感器数据获取、显示等功能分配给不同的线程实现并行运行,同时可以及时准确地监测到排水管网的各类数据。具体数据接收过程如图3所示。

3.5报警功能实现

本系统加入了异常报警功能的设计,通过监测系统对水位数据进行实时监测,可以直接在系统中发现异常,监测系统通过警告的方式让用户得知排水管某处水位异常。在报警功能的实现中,最重要的就是报警阈值的设置。阈值的大小决定了监测点是否报警以及报警总数的多少,是一个监测系统设备状态的参数[10]。若超过设定的阈值,就会在云平台上以报警信息显示,包括报警总数、已处理和未处理报警数量以及报警的设备地址。在正常情况下,用0表示正常状态(不报警),用1表示异常状态(发出报警)。

4系统测试验证

为了保证本系统能够正常运行,实现既定目标任务,需要对系统各类功能进行测试,具体如下:(1)设备管理功能测试测试方法:登录系统,将侵入式液位监测装备与4G网关连接,4G网关与本系统连接,正常情况下可以看到经过配置的设备上线。将其中一个4G网关保持通电状态,另一个4G网关断开,以检测设备上下线的识别以及提醒功能。测试结果:在系统首页可以观察到在线设备数量、离线设备数量以及每个设备的名称、SN设备码、地址,还可以实现编辑、同步、数据调试与删除、运行组态等功能。每当其中一个设备上线,右上角将弹出上线的设备信息,还可以看到该设备上下线的历史记录和历史测量记录。(2)报警功能测试通过测试侵入式液位检测装备测量的水位超过警戒值高度时,系统能实现自动报警功能,确保监测系统的监测功能可行。测试方法:注水直至水位超过1200mm以上,该数值已经超过了排水管网监测系统中设置的阈值,等待系统报警。测试结果:经过报警功能测试,监测系统向4G网关内的SIM卡发送了报警信息,证明系统对超过阈值水位数据进行了报警,并将报警信息储存到云端数据库中,报警总数、未处理的报警数量和已处理的报警数量也随之改变,如图4所示。(3)地图功能测试测试验证4G网关设备的位置信息可以准确地显示在云平台中的百度地图上。测试方法:在随机监测点位置配置4G网关设备,设备通过定位功能向基站发送位置信息,是否每一个配置好的4G网关设备都会显示在地图中。测试结果:在无锡太湖学院北区某排水管网内配置多个4G网关,在云平台的地图上显示其定位,测试通过。

5结语

本文主要论述了基于物联网技术的在线排水管网监测系统的设计与开发方法,该系统是基于物联网技术利用云平台的物解析、物接入功能,结合物联网智慧平台来实现的。通过系统测试,该在线排水管网监测系统具有实时、便捷、可操作等优点,使管理人员能够实时获取排水管监测有效数据,从而正确快速地辅助管理人员解决出现的问题。

作者:陈兆丰 万锦珍 颜作涛 陈道来 刘苏锋 陈国俊 单位:无锡太湖学院