基于NB-IOT的城市供水管网监测系统设计

韩旭 沈永滨

摘  要：随着社会与经济的高速发展，城市水资源对人民生活与生产日益重要，实现供水管网的远程检测与智能分析意义重大。本系统由远程监测终端RTU、NB-IOT窄带蜂窝网络和数据监视界面三部分组成。分别实现对压力、温度等参数的采集;移动互联网的远程数据传输;数据管理、历史数据曲线的显示与查询。实现最优化的生产调度管理，实现遥测、遥控、故障报警、远程查询控制、管网资源统计等功能。

关键词：NB-IOT;MSP430;OneNET;环境监测

中图分类号：TU991.61 文献标志码：A 文章编号：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

国内从20世纪80年代开始，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition数据采集与监视控制系统）系统在监测行业得到了广泛的应用。它可以实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自动控制，对供水过程实时监视，为生产调度和管理提供必要的参考数据[1]。

2 系统设计总方案

本系统设计基于德州仪器（TI）的低功耗系列单片机MSP430F149，搭配芯讯通无线科技（SIMCom Wireless Solutions）的SIM7000C通信模块，工业级温度传感器PT100和压力变送器，构成数据采集与通信链路的硬件结构。结合中移物联网的OneNET云平台，进行设备管理，数据传输，命令交互等操作。在云平台的基础上，根据实际需求，搭建上层应用，可在PC端或PE端应用上查看实时数据。设计方案总框图如图1所示。

3 硬件系统设计方案

3.1 MSP430F149

MSP430是德州公司开发的一类具有16位总线的低功耗MCU（Microcontroller Uni，微控制單元），使用了16位精简指令集（RISC）的架构，内置定时/计数器，12位模数转换器（ADC）与串行通信接口。该类微控制器主要特点为超低功耗，共有五种工作模式可供配置，各模式分别在3V和2.2V电源供电时的工作电流状态如图2所示。

3.2 SIM7000C

SIM7000C模块是基于高通 MDM9206平台开发的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IOT）模块。本设计中数据通信部分采用SIM7000C的NB-IOT功能。这是一种基于蜂窝网络的物联网技术， 可直接部署于现有的UMTS网络、GSM网络、LTE网络。相较于其他物联网技术，NB-IOT芯片整体上采用了低功耗及低成本的设计方式。如采用180kHz窄带系统，降低基带复杂度，减小工作电流;简化协议栈，减少片内FLASH/RAM，降低耗电量;采用半双工模式，比起全双工所需的元件，成本低且降低电池能耗等[2]。本设计的背景通信需要速率低于100kbps，属于低速业务，更加适合使用NB-IOT这种窄带宽通信方式。SIM7000C芯片支持功能丰富，如图3所示。

3.3 温度传感器

3.4 压力变送器

4.2.2 数据包封装

将不同待测量的参数分别传送给不同的数据流，需要借用JavaScript中JSON字符串的格式，可使用在线的JS字符串格式化检验工具。JS字符串的格式中声明了操作，数据流名称，“at”时间和“value”数据值，需将携带信息的JS字符串封装到API调用函数中。

使用API函数“POST”，即可更新数据流。如：

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

此条指令指定了API函数的使用，域名，设备ID，协议类型等信息。此外还需发送api-key，主机HOST，字符串长度等。数据包格式要求严格，每个空格，换行都要十分准确。在正确的发送请求后，平台会返回“succ”，否则收到“errno”，及错误的原因。

完成以上操作后，可使用串口调试助手，发送以上数据包，验证数据传输是否成功。使用USB转TTL模块给SIM模块供电和串口通信。熟悉API函数后，将内容写入到单片机中，使用单片机的串口与SIM7000C模块进行通信。

4.2.3 AT指令集

AT（Attention）指令是应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信的指令。是以字母“AT”作为开头字符的字符串，每一条AT指令的下达都有对应的响应。SIM7000C模块使用AT指令集操作，如图7所示。

4.3 OneNET云平台配置[5]

4.3.1 基本配置

在平台注册账號后，进入开发者选项，添加一个公开协议产品。填入基本信息后，选择设备接入协议为HTTP。在产品中添加设备，配置完成后，记下Master-API， device ID等参数，加入到数据包中即可。在数据管理面板中，可以对数据流进行处理，如添加，删除，更名或改变单位。在RTU上传数据的程序运行后，刷新数据流，可观察到数据点被上传到平台，时延约5秒。此时设备处于在线状态，在设备概况界面，可看到历史数据点和今日新增数据点的计数，界面如图8所示。

4.3.2 触发器设置

为实现对数据的监控功能，可为数据流添加触发器功能。在触发器管理界面中选择添加触发器。输入基本信息后，选择关联的设备和触发数据流，选择的数据流可以进行多种数据触发方式。简单的如大于小于，等于不等于。也可以进行区间判断，如进入或离开某个区间，或保持在某个区间内。还有数据变化，掉线时长和在线时长的触发方式。触发结果有两种，邮箱或者URL（统一资源定位符）。当满足触发条件时，平台可向邮箱或者服务器发送信息，达到数据监控的目的。

4.3.3 数据监测显示界面

为实现实时数据监测等功能，使用OneNET平台提供的应用功能，可大大降低开发成本。选择应用管理界面，新建独立应用，可以看到平台提供的功能组件，直接拖拽加入，所见即所得。组件库提供有文本，图片，折线图，柱状图，仪表盘，地图等显示组件，还有控制组件如旋钮，开关，命令等。显示组件可以直接选择连接的数据流，可以使用仪表盘直接显示实时数据，也可以用折线图显示历史数据，变化曲线等。使用地图组件可以根据上传的GPS数据显示实时位置和移动轨迹。使用控制组件可以通过程序，向RTU发送数字量或模拟量，进而实现RTU的远程控制。数据监测界面如图9所示。

5 结束语

对城市供水管网系统进行了设计，应用了MSP430F149作为RTU的微控制器，改进了传统的单片机的功耗高，数据计算处理能力弱的问题。采用了NB-IOT作为通信方式，改进了传统数据发送硬件模块的功耗高，带宽浪费等问题。使用了OneNET物联网云平台作为服务器，降低了开发成本。

参考文献：

[1]张一凡，崔建国，张峰，等.物联网和云计算下的城市供水管网漏损控制系统设计[J].华侨大学学报（自然科学版），2019，1：34-40.

[2]刘克清，周俊，李世光，等.NB-IoT低功耗技术及功率参数配置研究[J].移动通信，2018，12：32-36.

[3]顾吉林，刘淼，耿杨，等.基于PT100的高精度温度测量电路的设计[J].测控技术，2018，5：101-103.

[4]乔立永，石成英，李进军.扩散硅压力传感器特性分析及其应用举例[J].仪器仪表用户，2007，5：49-51.

[5]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNET云平台的环境监测系统[J].电子技术与软件工程，2018，24：51-52.