基于NB-IoT的城市供水管网监测系统设计与实现

石明钧 夏青

摘要：针对一些城市供水管网漏损率较高导致资源浪费、经济亏损等问题，为了实现城市供水管网管理的智能化，使管理人员能够能直观、便捷地监测供水管网运行状态，文章提出了一套基于NB-IoT技术的城市供水管网监测系统设计方案。该方案使用STM32微控制器进行数据的采集与预处理，通过NB-IoT技术将处理好的数据通过相应的协议发送给云平台，使管理人员可以对供水管网的运行状态进行实时监测。测试结果表明，该方案实现了城市供水管网的运行状态监测，达到预期设计目标。

关键词：城市供水管网；数据采集；STM32；NB-IoT；低功耗；云平台

中图分类号：TP302        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0101-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着城镇化的快速发展和人口的快速增长，供水管网的覆盖范围不断扩大，新旧管网交错纵横，形成了一个复杂的网络系统[1]。由于城市供水管网一般埋于地下、铺设距离远、地理位置复杂，且铺设地区环境复杂，潮湿多变的地理环境、设备供电问题等原因极大限制了监测系统的智能化，导致设备不能长久稳定工作，数据传输准确性、稳定性都受到了很大挑战，供水管网在出现漏损、爆管等异常时不能及时反馈到监测系统，延误工作人员的修复时间，水资源被大量浪费。

当前，对供水管网的监测主要采用有线监测和无线监测2 种方式[2]。随着通信技术的迅速发展，无线监测相对于有线监测而言，具有布线简单、安装维护成本低等优点，更加适合用于管网监测。近几年新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things） 技術具备传输距离远、功耗低、大连接、低成本等特点[3-4]，适合运用于对网络连接和功耗有较高要求的智能设备。针对传统监测系统中传输距离短、续航时间短、扩展与升级不便、覆盖范围小等诸多不足之处，本文利用了NB-IoT技术的独特优势设计了一种城市供水管网监测系统，实现了城市供水管网相关数据的有效监测和监测节点的智能管理。

1 系统方案设计

系统由终端监测节点、服务器端、云平台、监控平台组成[5-6]。终端监测节点由STM32微控制器为核心，通过压力传感器、流量传感器、GPS定位模块实现对供水管网信息采集，并通过NB-IoT无线通信模块将终端监测节点采集的数据发送给物联网平台，实现对数据的存储与处理。监控平台实现数据的可视化、设备管理、历史数据查询等功能，当出现异常时，监控平台会在用户界面做出预警提示，并将报警信息存在数据库中，方便日后查看。系统整体设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计

根据系统功能需求设计，终端监测节点硬件主要由主控制器MCU及外围电路、NB-IoT通信模块、压力变送器、流量变送器、温度传感器、数据存储模块、电源相关电路等组成，主要负责数据采集、处理、存储、传输等工作[7-8]。监测节点硬件总体结构如图2所示。

2.1 主控模块

考虑到本系统对功耗、成本、稳定性等方面有一定要求，本文最终选择STM32L151C8T6作为终端监测节点的主控制器，支持多种串口通信，在Low-power Run mode模式下功耗低至9μA。STM32L151C8T6最小系统设计如图3所示。

2.2 传感器模块

本系统设计需要对供水管网的运行状态监测，监测的主要参数为流量及压力数据，选取的传感器为流量及压力变送器，采用DC24V供电，输出信号为4～20mA，设计电压转换电路将采集的模拟电流值转换为模拟电压值，通过微控制器的ADC通道进行数据采集，其数据采集电路设计方法一致，如图4所示。

2.3 NB-IOT通信模块

本系统选择移远BC20模块作为系统的NB-IoT通信模组进行电路设计，电路原理图如图5所示。BC20是一款同时支持GNSS定位功能的高性能NB-IoT模块，它能够在低功耗运行模式时，实现工业级的接收灵敏度、高精确度以及快速定位，并能通过串口UART与STM32控制单元进行数据交互，将数据上传到云平台[9-10]。

BC20模块的SIM卡由模块内部的电源供电，支持1.8V外部SIM卡接入。在选择好合适的SIM卡座后，需要完成与BC20模块的电路连接。SIM卡外围电路设计如图6所示。

2.4 数据存储模块

为防检测设备出现意外掉电等异常情况，系统终端监测节点需要具备一定的数据存储能力，将传感器采集的数据、经纬度信息等存储到本地。由于STM32自带的FLASH存储空间十分有限，系统设计使用Micro SD卡来扩展存储空间进行本地数据存储，其具有小尺寸、大容量、低功耗、读写速度快等特点，使用SPI接口与主控单元进行通信，接口电路图如图7所示。

2.5 电源模块

监测设备需要广泛分布，系统使用大容量锂电池供电。STM32L151C8T6的工作电压为3.3V，而锂电池的标准工作电压为3.7V，需要设计相应的稳压电路以保证STM32正常工作。输入输出压差不大，采用ME6211C33 LDO对输入电压降到3.3V后输出给STM32，满足硬件低功耗设计需求，电源稳压电路如图8所示。

压力变送器与流量变送器均需要DC24V供电，需要设计24V的升压电路，本设计选用的BOOST芯片为XB61041，此芯片的电压输入范围为1.8～6.0V，可调节输出电压高达28V，高达1MHz的开关频率，支持低功耗应用，静态电流仅为28uA，符合硬件设计的功能需求，升压电路如图9所示。

3 系统软件设计

监测终端主程序流程图如图10所示。首先进行系统初始化，然后执行BC20模组的入网程序，入网成功则程序继续向下执行。判断电源开关键是否按下，若开关键按下则执行关闭电源程序，监测终端关机，程序结束。若按键没有按下，定时时间到达则开始执行各传感器数据的采集程序，并判断数据是否采集成功，若失败返回相应的错误信息并重新进入主函数循环，若数据采集成功则通过BC20模组向云平台发送处理后的数据，同时判断数据是否发送成功，发送成功则重新进入主函数循环，发送数据失败则返回错误信息。

BC20模块集成了支持GPS、BeiDou的GNSS引擎，可以实现快速、准确的定位。BC20模块支持标准NMEA0183协议，其中包括多种通信消息格式，考虑到系统需求，采用最简定位信息RMC作为通信消息格式。定位信息采集流程图如图11所示。

系统设计中压力、流量变送器所采集的信号皆为4～20mA信号模拟量，经过一个150Ω产生模拟电压信号并通过STM32L151C8T6的ADC通道进行采集，其中压力模拟电压的输入通道为19，流量模拟电压的输入通道为20。压力、流量数据采集流程图如图12所示。

系统设计使用中国移动开发的OneNET云平台，STM32主控单元将采集的数据处理后发送给BC20，BC20通过LwM2M协议与物联网云平台进行数据通信。在LwM2M协议中，终端设备的属性被抽象为对象以及资源，各类监测数据都是其对象且拥有不同的Object ID，各对象下拥有不同的数据资源，可以根据功能需求在资源列表中选择合适的资源属性。例如终端监测节点采集的GNSS信息就是一个对象，而系统需要的纬度、经度就是其资源列表中的部分属性，最终采集的资源属性的数据将通过相关处理上传给OneNET云平台，终端节点使用的Object资源描述如表1所示。

在确定了接入协议以及Object相關资源之后，终端监测节点将发起请求接入OneNET云平台并传输处理后的数据，其与OneNET云平台的数据交互流程如图13所示。

在终端监测节点运行的过程中，设置好循环周期时间，循环时间到达后进入数据采集函数并将不同的数据分别存入对应的AT指令发送数组，通过一个计数值onenet_ok判断是否所有Object资源注册完成，onenet_ok=4时表示所有资源注册完成，然后OneNET平台发送不同的数据，完成数据上传后等待下一轮周期到达。

4 系统测试

待硬件系统设备连接并初始化完成后，通过串口助手对STM32主控单元进行调试。在BC20模块开机之后，使用AT命令测试信号质量。信号质量正常后，继续测试ESP网络注册状态以及PS域附着情况，测试正常后，向BC20模组发送“AT+CGSN=1”命令获取IMEI，其标识码为862177042733900，随后向BC20模组发送“AT+CIMI”获取IMSI，其识别码为460049167418294，如图14所示。在OneNET云平台将对应信息添加完设备后，发送“AT+MIPLCREATE”命令创建通信实例，并得到返回结果ID为0，再发送“AT+MIPLOPEN=0，86400”命令发送注册请求，注册成功后发现设备在线，即可正常接收设备端数据，如图15所示。

5 结束语

为满足对城市供水管网智能化监测的需求，本文设计了一套基于NB-IoT技术的城市供水管网监测系统设计方案。此系统可以对城市供水管网的运行参数等进行实时监测并上传给云平台，对云平台进行开发，实现数据的可视化，方便管理人员查看获取管网运行状态。测试表明，系统运行稳定，达到了预期目标。

参考文献：

[1] 王文庆，王毓晨，亢红波.基于NB-IOT的智能水表采集器设计[J].现代电子技术，2019，42（22）：39-43.

[2] 张娜，杨永辉.基于物联网的水质监测系统设计与实现[J].现代电子技术，2019，42（24）：38-41，45.

[3] 李萌.基于NB-IoT的冷链运输监测系统设计与实现[D].西安：西安科技大学，2021.

[4] 陈晶.基于NB-IoT的空气质量监测系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.

[5] 杨磊，熊卫华，姜明.基于NB-IoT技术的家庭水质检测系统[J].计算机系统应用，2019，28（12）：129-133.

[6] 钱承山，宗文杰，孙宁，等.基于NB-IoT的智慧消防栓监测系统设计[J].国外电子测量技术，2021，40（12）：151-158.

[7] 韩旭，沈永滨.基于NB-IOT的城市供水管网监测系统设计[J].科技创新与应用，2019（22）：5-7.

[8] 王明.基于NB-IoT的监控系统的设计与实现[D].北京：中国科学院大学（中国科学院沈阳计算技术研究所），2019.

[9] 王世馨.基于NB-IoT的汛情实时监测系统[D].淮南：安徽理工大学，2020.

[10] 石英春，陈春阳，王巍.基于LoRa和NB-IoT物联网技术的管网监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2022（8）：85-88，121.

【通联编辑：唐一东】