基于NB-IOT的城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

韓旭 沈永濱

摘 ?要：隨著社會與經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市水資源對人民生活與生產(chǎn)日益重要，實現(xiàn)供水管網(wǎng)的遠程檢測與智能分析意義重大。本系統(tǒng)由遠程監(jiān)測終端RTU、NB-IOT窄帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)監(jiān)視界面三部分組成。分別實現(xiàn)對壓力、溫度等參數(shù)的采集;移動互聯(lián)網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)曲線的顯示與查詢。實現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)度管理，實現(xiàn)遙測、遙控、故障報警、遠程查詢控制、管網(wǎng)資源統(tǒng)計等功能。

關(guān)鍵詞：NB-IOT;MSP430;OneNET;環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TU991.61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0005-03

Abstract： With the rapid development of society and economy， urban water resources are becoming more and more important to people's life and work. It is of great significance to realize the remote detection and intelligent analysis of water supply network. The system consists of three parts： remote monitoring terminal RTU， NB-IOT narrowband cellular network and data monitoring interface， which separately realize the collection of the pressure， the temperature and other parameters， the remote data transmission of the mobile Internet， the data management， the historical data curve display and the query. The optimization of production scheduling management is realized， and the functions of telemetry， telecontrol， fault alarm， remote query control and pipe network resource statistics are realized.

Keywords： NB-IOT; MSP430; OneNET; environmental monitoring

1 概述

國內(nèi)從20世紀80年代開始，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）系統(tǒng)在監(jiān)測行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。它可以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場進行本地或遠程的自動控制，對供水過程實時監(jiān)視，為生產(chǎn)調(diào)度和管理提供必要的參考數(shù)據(jù)[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計總方案

本系統(tǒng)設(shè)計基于德州儀器（TI）的低功耗系列單片機MSP430F149，搭配芯訊通無線科技（SIMCom Wireless Solutions）的SIM7000C通信模塊，工業(yè)級溫度傳感器PT100和壓力變送器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與通信鏈路的硬件結(jié)構(gòu)。結(jié)合中移物聯(lián)網(wǎng)的OneNET云平臺，進行設(shè)備管理，數(shù)據(jù)傳輸，命令交互等操作。在云平臺的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際需求，搭建上層應(yīng)用，可在PC端或PE端應(yīng)用上查看實時數(shù)據(jù)。設(shè)計方案總框圖如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 MSP430F149

MSP430是德州公司開發(fā)的一類具有16位總線的低功耗MCU（Microcontroller Uni，微控制單元），使用了16位精簡指令集（RISC）的架構(gòu)，內(nèi)置定時/計數(shù)器，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與串行通信接口。該類微控制器主要特點為超低功耗，共有五種工作模式可供配置，各模式分別在3V和2.2V電源供電時的工作電流狀態(tài)如圖2所示。

3.2 SIM7000C

SIM7000C模塊是基于高通 MDM9206平臺開發(fā)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IOT）模塊。本設(shè)計中數(shù)據(jù)通信部分采用SIM7000C的NB-IOT功能。這是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 可直接部署于現(xiàn)有的UMTS網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)。相較于其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IOT芯片整體上采用了低功耗及低成本的設(shè)計方式。如采用180kHz窄帶系統(tǒng)，降低基帶復(fù)雜度，減小工作電流;簡化協(xié)議棧，減少片內(nèi)FLASH/RAM，降低耗電量;采用半雙工模式，比起全雙工所需的元件，成本低且降低電池能耗等[2]。本設(shè)計的背景通信需要速率低于100kbps，屬于低速業(yè)務(wù)，更加適合使用NB-IOT這種窄帶寬通信方式。SIM7000C芯片支持功能豐富，如圖3所示。

3.3 溫度傳感器

3.4 壓力變送器

4.2.2 數(shù)據(jù)包封裝

將不同待測量的參數(shù)分別傳送給不同的數(shù)據(jù)流，需要借用JavaScript中JSON字符串的格式，可使用在線的JS字符串格式化檢驗工具。JS字符串的格式中聲明了操作，數(shù)據(jù)流名稱，“at”時間和“value”數(shù)據(jù)值，需將攜帶信息的JS字符串封裝到API調(diào)用函數(shù)中。

使用API函數(shù)“POST”，即可更新數(shù)據(jù)流。如：

“POST http：//api.heclouds.com/devices/ device ID/datastreams/speed HTTP/1.1”

此條指令指定了API函數(shù)的使用，域名，設(shè)備ID，協(xié)議類型等信息。此外還需發(fā)送api-key，主機HOST，字符串長度等。數(shù)據(jù)包格式要求嚴格，每個空格，換行都要十分準確。在正確的發(fā)送請求后，平臺會返回“succ”，否則收到“errno”，及錯誤的原因。

完成以上操作后，可使用串口調(diào)試助手，發(fā)送以上數(shù)據(jù)包，驗證數(shù)據(jù)傳輸是否成功。使用USB轉(zhuǎn)TTL模塊給SIM模塊供電和串口通信。熟悉API函數(shù)后，將內(nèi)容寫入到單片機中，使用單片機的串口與SIM7000C模塊進行通信。

4.2.3 AT指令集

AT（Attention）指令是應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信的指令。是以字母“AT”作為開頭字符的字符串，每一條AT指令的下達都有對應(yīng)的響應(yīng)。SIM7000C模塊使用AT指令集操作，如圖7所示。

4.3 OneNET云平臺配置[5]

4.3.1 基本配置

在平臺注冊賬號后，進入開發(fā)者選項，添加一個公開協(xié)議產(chǎn)品。填入基本信息后，選擇設(shè)備接入?yún)f(xié)議為HTTP。在產(chǎn)品中添加設(shè)備，配置完成后，記下Master-API， device ID等參數(shù)，加入到數(shù)據(jù)包中即可。在數(shù)據(jù)管理面板中，可以對數(shù)據(jù)流進行處理，如添加，刪除，更名或改變單位。在RTU上傳數(shù)據(jù)的程序運行后，刷新數(shù)據(jù)流，可觀察到數(shù)據(jù)點被上傳到平臺，時延約5秒。此時設(shè)備處于在線狀態(tài)，在設(shè)備概況界面，可看到歷史數(shù)據(jù)點和今日新增數(shù)據(jù)點的計數(shù)，界面如圖8所示。

4.3.2 觸發(fā)器設(shè)置

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能，可為數(shù)據(jù)流添加觸發(fā)器功能。在觸發(fā)器管理界面中選擇添加觸發(fā)器。輸入基本信息后，選擇關(guān)聯(lián)的設(shè)備和觸發(fā)數(shù)據(jù)流，選擇的數(shù)據(jù)流可以進行多種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式。簡單的如大于小于，等于不等于。也可以進行區(qū)間判斷，如進入或離開某個區(qū)間，或保持在某個區(qū)間內(nèi)。還有數(shù)據(jù)變化，掉線時長和在線時長的觸發(fā)方式。觸發(fā)結(jié)果有兩種，郵箱或者URL（統(tǒng)一資源定位符）。當滿足觸發(fā)條件時，平臺可向郵箱或者服務(wù)器發(fā)送信息，達到數(shù)據(jù)監(jiān)控的目的。

4.3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示界面

為實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能，使用OneNET平臺提供的應(yīng)用功能，可大大降低開發(fā)成本。選擇應(yīng)用管理界面，新建獨立應(yīng)用，可以看到平臺提供的功能組件，直接拖拽加入，所見即所得。組件庫提供有文本，圖片，折線圖，柱狀圖，儀表盤，地圖等顯示組件，還有控制組件如旋鈕，開關(guān)，命令等。顯示組件可以直接選擇連接的數(shù)據(jù)流，可以使用儀表盤直接顯示實時數(shù)據(jù)，也可以用折線圖顯示歷史數(shù)據(jù)，變化曲線等。使用地圖組件可以根據(jù)上傳的GPS數(shù)據(jù)顯示實時位置和移動軌跡。使用控制組件可以通過程序，向RTU發(fā)送數(shù)字量或模擬量，進而實現(xiàn)RTU的遠程控制。數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖9所示。

5 結(jié)束語

對城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)進行了設(shè)計，應(yīng)用了MSP430F149作為RTU的微控制器，改進了傳統(tǒng)的單片機的功耗高，數(shù)據(jù)計算處理能力弱的問題。采用了NB-IOT作為通信方式，改進了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送硬件模塊的功耗高，帶寬浪費等問題。使用了OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為服務(wù)器，降低了開發(fā)成本。

參考文獻：

[1]張一凡，崔建國，張峰，等.物聯(lián)網(wǎng)和云計算下的城市供水管網(wǎng)漏損控制系統(tǒng)設(shè)計[J].華僑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，1：34-40.

[2]劉克清，周俊，李世光，等.NB-IoT低功耗技術(shù)及功率參數(shù)配置研究[J].移動通信，2018，12：32-36.

[3]顧吉林，劉淼，耿楊，等.基于PT100的高精度溫度測量電路的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2018，5：101-103.

[4]喬立永，石成英，李進軍.擴散硅壓力傳感器特性分析及其應(yīng)用舉例[J].儀器儀表用戶，2007，5：49-51.

[5]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNET云平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018，24：51-52.