麥偉明

技術(shù)應(yīng)用

基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)

麥偉明

（廣東省中山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 中山 528403）

基于4G-DTU設(shè)計(jì)用水信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用智能水表采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)；利用4G-DTU傳輸實(shí)時(shí)采集的用水?dāng)?shù)據(jù)至云服務(wù)器并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)顯示、故障報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢分析等功能。實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足用水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，為推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4G-DTU；智能水表；數(shù)據(jù)采集

0　引言

當(dāng)前我國(guó)水資源面臨的形勢(shì)十分嚴(yán)峻，水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題日益突出，已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。建立科學(xué)健全的水資源監(jiān)測(cè)、用水計(jì)量及統(tǒng)計(jì)等管理方法，對(duì)推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)用水管理大多采用人工抄表的方式，抄表時(shí)間間隔較長(zhǎng)，且耗費(fèi)人力。而現(xiàn)有的供水自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用封閉內(nèi)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1-3]，存在傳輸速度慢、通信距離短等問(wèn)題，在遠(yuǎn)距離布點(diǎn)及不方便布置內(nèi)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控場(chǎng)所無(wú)法使用。因此需要建立一個(gè)集數(shù)據(jù)采集和分析為一體的實(shí)時(shí)用水在線管理系統(tǒng)，為水資源監(jiān)測(cè)部門提供技術(shù)支持。為此，本文設(shè)計(jì)一套用水信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)用水情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由智能水表、4G-DTU模塊及云服務(wù)器等組成。其主要工作過(guò)程為：智能水表采集每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的用水?dāng)?shù)據(jù)，并定時(shí)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口總線RS485傳給4G-DTU模塊；4G-DTU模塊接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)；PC客戶端展示界面實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新發(fā)布、顯示、故障報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢分析。

圖1　基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)主要功能包括：用水流量參數(shù)實(shí)時(shí)采集、分段用水總量參數(shù)采集、用水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及存儲(chǔ)、用水量超限警示、PC客戶端展示界面顯示用水信息。其特點(diǎn)有：

1）云服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)支持終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及管理；

2）不受地理位置和環(huán)境限制，只要有移動(dòng)4G信號(hào)的地方都可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)封閉內(nèi)網(wǎng)的不足；

3）具有通用性且易于擴(kuò)展，對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，只需確定多個(gè)采集點(diǎn)位置，并安置智能水表和4G- DTU模塊即可。

2 系統(tǒng)硬件

基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)硬件包括智能水表和數(shù)據(jù)傳輸模塊2部分。

2.1　智能水表

根據(jù)需求選擇合適的智能水表[4]對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要。目前，使用較多的智能水表是電子遠(yuǎn)傳水表，其主要有脈沖式和直讀式[5]2類。其中脈沖式遠(yuǎn)傳水表成本較低，可輸出瞬時(shí)流量，但水表壽命受電池壽命限制；光電直讀式遠(yuǎn)傳水表具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、無(wú)需電源供電、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是當(dāng)前小口徑遠(yuǎn)傳水表的主流。本系統(tǒng)選用光電直讀式遠(yuǎn)傳水表。

光電直讀式遠(yuǎn)傳水表采用MODBUS-RTU通訊協(xié)議，并通過(guò)RS485通信接口把數(shù)據(jù)傳輸給4G-DTU。該協(xié)議在一根通訊線上采用主從應(yīng)答方式，只允許在主機(jī)和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣各終端設(shè)備不會(huì)在初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。每個(gè)水表設(shè)置唯一的地址碼，被主機(jī)尋址到的水表回應(yīng)包含該地址的查詢，即可建立主機(jī)與該水表之間的通訊。

2.2　數(shù)據(jù)傳輸模塊

DTU是將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備。

系統(tǒng)選用USR-G780 4G-DTU模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。其主要由CPU控制模塊、4G無(wú)線通信模塊以及電源模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸速率快、容量大、通信費(fèi)用較低，且不受地理位置和環(huán)境的限制，具有較好的實(shí)時(shí)性[6-8]。

4G-DTU工作模式為網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ剑B接服務(wù)器模式為TCP長(zhǎng)連接，以保證DTU與服務(wù)器相連；啟用注冊(cè)包，對(duì)每個(gè)4G-DTU設(shè)置唯一設(shè)備編號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳時(shí)云服務(wù)器可識(shí)別DTU。

3　系統(tǒng)軟件

基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集程序、PC客戶端展示界面和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3.1　數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及儲(chǔ)存。

數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：監(jiān)控服務(wù)器IP端口、監(jiān)聽(tīng)4G-DTU的TCP連接請(qǐng)求、通過(guò)3次握手與4G-DTU建立連接后開(kāi)始通信、在線接收4G-DTU上傳的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)采集程序接收到4G-DTU上傳數(shù)據(jù)包后，按照數(shù)據(jù)包格式定義進(jìn)行校驗(yàn)和數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序流程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2　PC客戶端展示界面

PC客戶端展示界面可顯示每個(gè)水表本日、本月、本季以及本年的用水?dāng)?shù)據(jù)和本月用水消耗曲線圖。設(shè)置用水?dāng)?shù)據(jù)采集間隔為1 h，每小時(shí)用水量可更新檢測(cè)，同時(shí)用水量超過(guò)預(yù)設(shè)值會(huì)發(fā)出警報(bào)，警示是否存在水管爆裂等問(wèn)題。某企業(yè)的用水信息管理系統(tǒng)PC客戶端展示界面如圖3所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用水流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括總用水量、主樓的1層~3層、4層~12層和13層~22層用水、副樓的1層~3層和4層~5層用水、綠化用水量、飯?zhí)糜盟约跋窜囉盟?，每小時(shí)刷新一次數(shù)據(jù)，同時(shí)本月用水消耗圖能直觀反映用水趨勢(shì)。

圖3　PC客戶端展示界面

3.3　數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

對(duì)用水情況進(jìn)行科學(xué)管理，需分析采集的大量用水?dāng)?shù)據(jù)，為此建立用水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要功能包括：

1）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、導(dǎo)入及導(dǎo)出；

2）各個(gè)水表用水?dāng)?shù)據(jù)的按需查詢；

3）PC客戶端展示界面的數(shù)據(jù)更新；

4）系統(tǒng)器具管理的更新、刪除及修改；

5）用戶信息安全管理。

4　系統(tǒng)應(yīng)用

2018年，本文設(shè)計(jì)的用水信息管理系統(tǒng)應(yīng)用于有節(jié)水改造需求的某企業(yè)，對(duì)企業(yè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)如圖3所示。經(jīng)過(guò)近2年時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，無(wú)斷點(diǎn)漏采現(xiàn)象。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于4G-DTU的用水信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、顯示、故障報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢分析。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

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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

麥偉明，男，1961年生，工程師，主要研究方向：長(zhǎng)度力學(xué)計(jì)量技術(shù)。E-mail: 13703041146@139.com

TN92

A

1674-2605(2020)03-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.008