基于物联网云平台的热水实时监控设计

谈学钊 肖磊

摘要：通过对太阳能热水系统的远程实时监控进行需求分析并调研了现有的解决方案，提出了一种基于物联网云平台的远程实时监控解决方案。系统使用MQTT协议实现PLC与服务器之间的数据传输，基于Web方式为用户提供远程操作方式，后台实现了权限管理、数据管理等功能，为相关管理人员提供远程操作数据的平台。前台实现机构信息、楼栋信息及数据点信息等展示功能，同时使用微信小程序作为移动端监控入口，实现了远程移动监控。

关键词：物联网平台；监控系统；移动性；效率优化

中图分类号：TP277文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）20-67-4

0引言

在节能环保的时代背景下，太阳能有光热低污染、高普遍性、能源充足等特点，使得太阳能热水系统的需求量越来越大[1-3]，对太阳能热水系统的远程监控提出更高的要求。通过调研分析发现，太阳能热水系统在运行过程中会产生额外的能耗，这些不必要的能耗会随季节和温度的变化而波动[4-11]。如果无法有效降低系统额外能耗并控制系统运维等产生的费用，就会造成节能不节财的情况。

传统的解决方案主要是基于单片机或PLC实现[12-13]，在故障告警及数据分析能力等方面存在不足。近年来，基于物联网技术的远程监控在不同应用领域中都有较好的应用[14-19]，同时MQTT协议解决了数据传输的稳定性和可靠性问题。因此本文提出了一种基于物联网的太阳能热水平台远程实时监控的解决方案，使用PLC和传感器采集现场数据，利用MQTT协议实现PLC与服务器之间的数据传输，并为用户提供基于Web和微信小程序的使用方式。

1需求分析

热水监控平台主要目的在于监控并能有效调度太阳能热水系统内的相关数据，如监控水箱的水位数据，并根据该楼栋上个月或上几个月的水位变化设置不同的补水策略；或设置不同的水温加热策略，让阳光照射不足的太阳能热水系统及时自动升温等。

因此系统需要有效接收来自数据采集端的数据并建立相应数据库，以便获取相应数据的变化曲线，如水箱的水温变化曲线，方便后续对水温变化进行预测及设置相应的维护策略。维修人员、监控人员进行日常维护或实时监控时能通过通信设备，如电脑、手机及平板电脑等进行相关数据的查看、设置和修改，并与太阳能热水监控系统的数据进行同步，实现远程操作。如水箱状态离线或水位无论如何补水都无法超过某个值时，可以让维修人员及时发现并到场维修，减少维护成本，工作原理如图1所示。

根据系统的需求分析分为系统功能、系统实现和关键问题3个研究点，其中，系统功能分为前台功能及后台功能，主要描述前后台的结构及功能设计；系统实现则侧重于描述系统的结构设计，体现MVC的分层思想；关键问题用于描述系统在设计与实现的过程中遇到的难点。

2系统设计

2.1系统功能设计

热水监控平台根据功能要求分为前台和后台两部分，前台主要负责数据展示，提供相关工作人员进行远程监控；后台主要负责权限管理、数据管理，提供相关管理人员远程操作数据的平台，如设置自动补水、自动加热策略等，系统功能结构如图2所示。

2.1.1前臺结构及功能设计

前台包括Web端及微信小程序端两部分，其功能一致，主要负责相关数据的展示，方便进行数据监控，如水箱水位、水温等数据点的具体信息提供查询功能，功能结构如图3所示。

①主页面：用户需要经过登录才能进入前台，前台系统会根据用户的权限进行不同的展示，如当前登录用户为公司管理员，该用户能看见自己公司所有机构的信息，如果当前登录用户为机构管理员，则该用户只能看见自己所管理机构的信息。

②机构页面：用于展示用户可查看的机构信息。

③楼栋页面：用于展示所属用户选择机构的楼栋信息。

④数据点页面：用于展示所属用户选择楼栋的数据点信息。用户可以查看数据点的相关信息，如水箱水位、温度、告警记录、水温预测及水位预测等，还可以对数据点相关策略进行设置，如水位告警策略等。2.1.2后台结构及功能设计

后台主要是用于权限管理、数据管理。

权限管理主要是基于角色的访问控制模型（Role-Based Access Control，RBAC）对用户进行权限分配和管理[20]，使不同级别的管理员具有不同级别的操作权限，如楼栋管理员只能管理自己所管理楼栋的数据点等。

数据管理主要是提供相关数据的设置及修改，包括但不限于水位或水温告警阈值、水温的加热策略、数据点的增删查改等，如检测水位是否达到告警阈值水位，或根据季节或天气设置对应的加热策略等操作，不再需要人员到场检测或设置，达到节能节财的目的。后台功能结构如图4所示。