張姣姣，劉紅旺，雷 亮，葉雨龍

（天津水利電力機電研究所，天津301900）

1 引言

現(xiàn)在水利系統(tǒng)對信息化要求越來越高，監(jiān)控設備所要滿足的環(huán)境條件也越來越苛刻。水利系統(tǒng)要求設備可以工作在潮濕、密閉甚至是遠離供電電源的環(huán)境下，要求設備數(shù)據(jù)傳輸可靠且節(jié)能。本文對水利監(jiān)控系統(tǒng)特點進行分析，并介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術在水利監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。

2 水利系統(tǒng)信息化要求

隨著水利系統(tǒng)對信息化要求的提高，系統(tǒng)對以下情形的監(jiān)控需求會越來越多。

2.1 監(jiān)控現(xiàn)場偏遠化

隨著國家加快偏遠地區(qū)的開發(fā)及推進扶貧項目的需要，水利系統(tǒng)監(jiān)控范圍必須覆蓋到一些偏遠地區(qū)。

2.1.1 設備運行要求

大多數(shù)偏遠地區(qū)系統(tǒng)運行條件十分有限，而信息化發(fā)展需要監(jiān)控居民用戶或扶貧用水調(diào)度數(shù)據(jù)，這樣就要求安裝在現(xiàn)場的監(jiān)控設備價格便宜、可靠性高、運行費用低、維護簡單方便。物聯(lián)網(wǎng)智能設備相對于傳統(tǒng)智能設備而言造價低，而且運行可靠性高，運行不需要專業(yè)技術人員現(xiàn)場值守，總體運行成本低。

2.1.2 設備電源要求

與智能電力監(jiān)控設備不同，智能水利監(jiān)控設備并不能保證檢測設備臨近可供電電源，偏遠地區(qū)監(jiān)控現(xiàn)場還存在供電受限的情形，有些監(jiān)測設備必須安裝在人跡罕至的環(huán)境中，且現(xiàn)場無外部供電。

基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)智能設備可以在無外部電源供給的情況下，依靠自帶電池正常工作近6年時間，在外部電源受限的偏遠地區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)設備可應用于水利監(jiān)控系統(tǒng)，為水網(wǎng)的智能運行提供可靠數(shù)據(jù)支持。

2.2 工作環(huán)境特殊化

一般的智能監(jiān)控設備要求環(huán)境干燥、具有良好的數(shù)據(jù)通信條件，而有些水利系統(tǒng)的智能監(jiān)控設備不得不工作在潮濕的環(huán)境下，但絕大多數(shù)水利改造項目的設備安裝環(huán)境不僅潮濕，而且空間狹小，且不具備鋪設通信線纜的條件。

現(xiàn)行的物聯(lián)網(wǎng)終端可以封裝成為防水防潮且安裝方便的無線傳輸設備，能夠適應特殊環(huán)境的要求，方便安裝、拆卸。

3 建立基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

本文將以天津水利電力機電研究所為中國水利水電科學研究院提供的智能水表監(jiān)控系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)結構并論證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在水利系統(tǒng)的可用性。

系統(tǒng)采用Message Queuing Telemetry Transport（MQTT）協(xié)議進行物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸。MQTT是現(xiàn)行主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它是一種輕量級的網(wǎng)絡協(xié)議，在網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡上需要的資源相對HTTP、AMQP、XMPP等協(xié)議少。此MQTT特性符合水利系統(tǒng)在網(wǎng)絡建設成本高、現(xiàn)場設備性能受限的偏遠監(jiān)控點的需求，它采用發(fā)布/訂閱模式工作，可以將信息進行一對多傳輸，在降低對現(xiàn)場硬件設備要求的同時，降低應用程序的耦合性。

系統(tǒng)服務建立在CentOS7操作系統(tǒng)上，通過對JavaScript結合Python技術的研究，用Django建立服務系統(tǒng)，將模型用Web形式進行管理展示。在服務器建立MQTT服務（采用mosquitto），實現(xiàn)將信息收集到服務器的功能。

數(shù)據(jù)庫服務建立在CentOS7系統(tǒng)上，采用postgresQl12完成數(shù)據(jù)存儲。

終端設備采用STM32芯片完成數(shù)據(jù)上報處理，此系列芯片性能高、成本低、功耗低，采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)、傳輸完成隨即斷開鏈接的模式運行節(jié)省用電，滿足無供電電源地點對監(jiān)控設備的要求；設備配置外置天線，可將天線與設備本體分離安裝，滿足信號傳輸要求；終端測試完成后用密封膠灌裝密封，以適應潮濕環(huán)境對設備的要求。

實現(xiàn)服務的網(wǎng)絡架構的具體模塊及組成結構如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構

4 物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)控實例

4.1 設備網(wǎng)絡傳輸

本文以新型智能NB-Iot水表及其抄表管理平臺介紹物聯(lián)網(wǎng)水表網(wǎng)絡傳輸及管理后臺的應用。

智能NB-Iot水表通過自身內(nèi)置的NB-Iot無線模塊（搭載著物聯(lián)網(wǎng)卡，需購買網(wǎng)絡流量才能上網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸與連接）通過運營商進行網(wǎng)絡傳輸（中國移動、中國聯(lián)通或者中國電信運營商）直接把單元信息傳輸?shù)狡脚_服務器中，平臺服務器按照智能NB-Iot水表的協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析得到水表顯示的真實數(shù)據(jù)。

只要平臺服務器連接網(wǎng)絡，任意一臺可上網(wǎng)計算機通過網(wǎng)絡訪問平臺服務器即可查看水表詳細數(shù)據(jù)信息。

4.2 后臺系統(tǒng)功能

系統(tǒng)架構采用Django配合JavaScript技術，以實現(xiàn)系統(tǒng)頁面通過瀏覽器展示。整體界面簡潔、操作簡單；可實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)存儲與管理、用戶數(shù)據(jù)管理、抄表流程自動化、營業(yè)收費管理、管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、業(yè)務報表、大數(shù)據(jù)分析等功能。如圖2所示。

圖2 水表管理平臺

5 結論

現(xiàn)在水利系統(tǒng)可以應用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對偏遠地區(qū)水務數(shù)據(jù)的監(jiān)控，滿足水利行業(yè)信息化的需求。