基于NB-IOT技术的智慧水务监测系统设计与实现

尚大伟，龚元明

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

智慧水务作为智慧城市信息化建设的一部分，实现低碳供水实时调度，使管网服务压力符合低碳节能原则并满足管网末端供水压力需要，已成为供水行业发展趋势。

为解决城市二次供水难题，郑浩等［1］提出基于物联网的城市智慧水务系统设计，在末端节点采用控制柜控制设备开启和关闭，采集数据上传，由服务器对传来的信息进行分析计算，并将报警信息传给客户端显示；来耀明等［2］提出应用计算机技术、无线网络技术、云平台技术、物联网技术等将海量水务信息通过云平台及时分析处理。为提升城市对水资源的监管与治理，卿勇军等［3］提出基于LoRa的智慧水务系统，利用LoRa 高性能、远距离、低功耗、支撑大规模组网等特点，采用LoRa 模组采集数据，由Lo-RaWAN 基站传至云平台，由管理员通过PC 机终端、手机APP 等进行远程数据查询和控制。

低功耗广域（Low Power Wide Area，LPWA）作为一种低功耗广域网络技术，专为低功耗、低带宽、远距离、大连接的物联网应用而设计，主要解决物联网最后一公里通信问题。对当下几种主流的LPWA 技术指标进行对比［4］，结果如表1 所示。

Table 1 Comparison of PWA mainstream technical indicators表1 PWA 主流技术指标对比

对几种主流技术的综合技术指标对比发现，NB-IOT技术因其具有运营商牌照，可与现有蜂窝网络融合演进，且具有低功耗、低成本、广覆盖、大连接等优势，非常适合智慧水务发展，将为实现水务高效管理，提升水务服务质量与效率带来积极的推动作用。

1 NB-IOT 技术应用现状

NB-IOT 作为LPWA 技术的一种，只消耗约180KHz的频段，可直接部署于GSM 网络或LTE 网络，是物联网领域的一项革命性创新技术。NB-IOT 使用license 频段，可采取带内、保护带或独立载波等3 种部署方式，可与现有网络共存［5］，在公共事业、智慧城市、消费电子、农业与环境等行业均有一定应用［6］。

曲井致等［7］设计了基于NB-IOT 技术的照明系统，通过运营商的IOT 平台对路灯进行实时监控，有效解决了照明行业的上线问题和通信问题，取得了很好的改善效果；孙迪科等［8］设计了基于NB-IOT 的油烟监控系统，结合物联网云平台和北斗定位模块，为城市的餐饮油烟治理提供了行之有效的解决方法；岳虹宇等［9］、安东等［10］设计了基于NB-IOT 的智慧鱼塘管理系统，根据水中融氧值自动启停增氧机，实时上传水温、融氧和PH 值，实现APP 远程监控，有效节约了资源，降低了养殖风险。

2 系统总体设计方案

智慧水务管理系统主要由终端设备、数据存储中心（服务器）和数据实时显示的客户端组成。其中，终端设备安装在各个管道网络节点处，实时采集管网压力参数并上传；数据传输主要通过采集节点嵌入NB-IOT 通信模组，采集到的数据通过NB-IOT 基站传输到NB-IOT 的核心网；数据存储中心（服务器）主要用来存储设备发送的信息数据，在存入数据库的同时转发数据到客户端；客户端主要通过地图、曲线及表格等方式实现终端设备信息可视化，在出现压力参数超限或超过波动阈值时报警提示，工作人员依据感知节点的实际情况调整测压点参数，实现水务系统调度。

参考物联网和云计算架构，从信息处理角度，智慧水务管理系统总体架构依次划分为感知层、传输层、平台层和应用层，如图1 所示［10］。

Fig.1 Overall architecture of smart water management system图1 智慧水务管理系统总体架构

3 终端设备结构及通信协议制定

3.1 终端设备结构及功能

终端设备主要由压力采集传感器、主芯片、NB-IOT 模块和供电模块组成（后续还可根据需要添加流量、温度传感器等），主要用来采集设备的压力信息、电池电压、压力波动等信息，通过NB 模块上报至服务器。终端设备结构框图如图2 所示。

Fig.2 Structure of terminal equipment图2 终端设备结构

终端设备通过串口通信与PC 通信设置工作参数，数据经处理上传给远程服务器（即数据中心）。终端可以通过远程客户端独立设置以下工作参数：①现场设备序列号；②上传数据的ip 地址；③管网压力工作上下限，压力波动槛值；④正常数据上传间隔；⑤异常数据上传次数。

终端设备实时监测管网压力和电池电压。管网压力在正常工作范围内，按设定的数据上传间隔定时上传数据（压力）给远程服务器；管网压力不在正常范围（即超上限、超下限或是超过规定的压力突变值，以及超过限值），及时上传管网压力数据给远程服务器，具体上传数据间隔和次数可以设定。

3.2 NB 模组选型及工作原理

本系统采用的模组为BC35-G。BC35-G 是一款高性能、低功耗的NB-IOT 模块，采用LCC 封装，具有23.6mm×19.9mm×2.2mm 的超小尺寸，支持Pv4/IPv6/UDP/CoAP/Lw M2M/Non-IP/DTLS/TCP/MQTT 协议，便于嵌入到物联网产品中，能很好地满足物联网应用需求。

本文采用TCP 网络协议方式，对BC35-G 模组上电，先调至自动入网模式，结合AT 命令采用los_nb_ini（t）函数先对模组进行初始化配置，完成模组附着附近基站网络后，采用data_collection_task（）完成数据采集任务，采用data_report_task（）进行数据传输。

3.3 终端设备通信协议

NB 模组按照时间间隔上传数据，为保证传输的可靠性和稳定性，采用目前应用最广泛的HTTP1.1（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）协议作为硬件与服务器的通信协议。HTTP 协议是一种无连接、无状态协议，通信时才建立TCP 连接，通信结束后关闭连接，HTTP 协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存［11］。协议对话由设备发起请求给服务器，服务器根据其发来的数据进行响应。

HTTP 请求由请求行、请求头、空行3 部分构成，请求正文格式如图3 所示［12］。

Fig.3 HTTP request format图3 HTTP 请求格式

HTTP 请求的报文起始行开头采用GET/POST 的请求方法，随后的字符串指明请求访问的资源对象，最后的HTTP/1.1 即HTTP 的版本号，用来提示客户端使用的HTTP 协议功能。本文请求报文格式如表2 所示。

Table 2 Format of HTTP 1.1 request message表2 HTTP1.1 请求报文格式

4 水务监测平台设计与实现

水务管理平台采用B/S 模式，优势在于可通过一定的权限控制实现多用户访问，并且B/S 无需对客户端升级，直接升级服务器即可。服务器选择基于Windows 系统下Apache+MySQL+PHP 网站服务器架构［13-15］，用户可直接通过浏览器访问水务管理系统。系统监测平台主要包含登录界面、数据查询、历史数据查询、报警管理、系统分组和系统设置等内容，请求服务器数据显示在界面上，并实现终端设备的调度功能。

4.1 系统注册/登录

系统分为普通用户登录和管理员登录两种模式。用户在登录系统之前需注册个人信息，包括用户名、密码、手机号或邮箱等，待身份验证成功后方可登录到系统界面，身份验证过程如图4 所示。

Fig.4 User login process图4 用户登录流程

4.2 系统主界面

成功获取登录权限进入首页，系统主界面包含地图显示、数据查询、设备及用户管理等，主页面组成框架如图5所示。

Fig.5 System main page frame图5 系统主页面框架

用户成功登录后，可通过地图查看其所管理的设备位置及当前设备信息，了解设备在现场的运行状况；实时查看设备上报的数据并对时间区间进行筛选，查看历史数据曲线走势，并通过历史曲线反映过去1 天、1 周、1 月、3 月、6 月的压力波动情况及最大值最小值，实现对未来运行情况的预测；通过设备告警及历史报警次数，结合设备信息，更高效地发现并排查问题；通过设备列表修改设备基本信息，实现对设备的分组管理，允许用户接入该系统灵活修改公司信息，提高系统的灵活性与实用性；管理员可以对用户接入进行审核管理。

4.3 测压点监控报警调度

数据显示采用表格、地图等多种形式，显示新建测压点的压力数据和对应位置。一般正常运行状态下，各测压点压力数据不实时刷新；出现报警状态时，立即通过声、光等报警信息显示测压点的报警状态（是低限还是高限报警）及压力数值，实时显示压力数值的结束时间由调度人员选择确定。报警时，表格、地图上的相应测压点图标通过闪烁等方式进行提醒，以便调度人员及时方便地了解压力报警区域和位置。

出现报警状态时，系统必须立即显示报警测压点的报警状态（超上限、超下限或是超过规定的压力突变值及超过多少）及目前该测压点的实时压力数值，实时显示压力数值的结束时间由调度人员选择确定。

4.4 数据库

本数据库采用开源的关系型数据库MySQL，采用InnoDB 引擎。随着终端设备采集数据的不断增加，数据量会特别大，导致数据查询速度降低。为提高数据库性能，采用分布式存储，根据功能对数据库进行垂直切分，分别建立用户信息表、设备动态数据表、设备静态信息表、设备数据调度表、异常报警表、用户接入信息表等，用于存放用户信息、监测主体基本信息、NB-IOT 终端设备基本信息、终端设备上传的基本信息、客户端修改信息、调度信息及异常报警信息。通过对大的数据表进行拆分，实现读写分离，降低数据库集群的访问压力。

5 结语

智慧水务监测系统结合传感器技术、NB-IOT 技术和互联网技术，实现了表格、地图和曲线多种方式的数据可视化显示，实现设备报警管理和终端设备管理等功能，并允许多用户接入平台，具有很高的通用性。NB-IOT 作为新一代最有潜力的技术，相比其它LPWA 技术，提高了网络传输的安全性和可靠性。同时，随着NB 模块的量产，NB 模组的成本会大幅降低，系统性价比提高，为系统推广带来一定价值。随着用户的不断接入和管理设备的不断增多，后续将不断优化数据库的承载性能并提升Web 服务的吞吐量，保证系统优良的工作性能。