试论物联网终端在管网数据采集中的应用
张美丽 李超 牛琴 李丹 魏雨钧
摘 要 随着 “互联网+”、“工业4.0”、“中国制造2025”等概念的出现，物联网在中国已经是“落地阶段”。数据采集是物联网的关键环节，通过物联网采集终端将海量的数据汇聚起来，如流量、压力、温度等，供后续软件进行数据分析、设备控制与信息处理。因此，本文针对物联网终端在供水管网数据采集中的应用，提出了一些方法论。
关键词 管网;物联网;NB-IoT;通信;数据采集
Absrtact With the emergence of concepts such as "Internet +"， "Industry 4.0" and "Made in China 2025"， the Int-ernet of Things has already entered the "landing stage" in China. Data acquisition is a key link in the Internet of Th-ings. Massive data， such as flow， pressure and temperature， are gathered through the Internet of Things acquisition terminal for subsequent data analysis， equipment control and information processing. Therefore， this paper proposes some methods for the application of Internet of Things terminals in the data collection of water supply network.
Keywords Pipe Network; Internet of things; NB-IoT; Communication; Data acquisition
1物联网终端技术概述
随着 “互联网+”、“工业4.0”、“中国制造2025”等概念的出现，物联网在中国已经是“落地阶段”。物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术[1]，把万事万物互联起来，在这个网络中，物品和物品能够互相传递信息[2]，而不需要人为去操作。物联网终端在物联网中起着很重要的作用，它连接着传感网络层和传输网络层[3]，可以实现数据采集、状态监测、远程控制和现场数据管理等功能。
目前，供水管网漏水现象在国内外供水行业普遍存在，这不但浪费宝贵的水资源，也给供水企业造成很大的经济损失。为了了解管网供水是否安全、稳定地运行，需要对管网泄漏情况进行监视监测，方便管理人员做出决策，对管网故障进行排除与控制，确保供水管网输配水能力提升，确保提供充足稳定的水资源。这就需要在管网数据采集中应用物联网终端，采集测量流量、压力、温度、电池电压等物理量，实现对供水管网关键节点进行远程实时监测。通过对采集的流量、压力等分析，可以及时发现管网供水是否正常，并且可以测算出漏点区域位置和漏损情况，有效地降低管网漏损率和产销差率。
管网物联网终端集成有NB-IoT通信模组，MCU以及各种硬件接口。然后还可实现数据采集，传输等功能。是一款集多数据采集、多通讯方式、大容量存储、实时数据上传以及远程监测管理等功能的智能产品。它可以实现传感网络层与传输网络层的连接，达到数据实时监测、远程控制与管理的目的。鉴于该终端的易用性和可扩展性，在水文水资源监测、供水管网监测，给排水和水利的数据自动采集和远程监测都已经得到了广泛应用。
农村安全饮水工程于“十一五”启动建设，“十三五”进入巩固提升阶段。湖北省农村水厂管网至今存在的问题是：供水管线距离较长，大部分呈树状分布，并且很多老式的布线，目前根本就找不到部署位置，地形比较复杂，如果发生爆管等问题，人工巡查很难找到漏点，会造成维修成本高、效率低，并影响到群众正常饮水。为了提高效率、减少损失，我们引入了物联网终端的应用。
2物联网终端技术原理与实现应用
2.1 技术原理
物联网终端是基于NB-IoT通信加WIFI辅助的无线数据采集终端系统，包括NB-IoT模组，微处理器、供电电源一、WIFI辅助数据采集模块、继电器线圈、继电器常闭触点开关、继电器常开触点开关、供电电源二、二极管及地线，所述供电电源一的输出端与微处理器的电源输入引脚连接，继电器线圈的一端与微处理器的电源输出引脚连接，另一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与供电电源二的输出端连接，继电器常闭触点开关的一端与供电电源二的输出端连接，另一端与WIFI辅助数据采集模块的电源输入引脚连接，WIFI辅助数据采集模块的电源输出引脚与地线连接，继电器常开触点开关的一端与供电电源二的输出端连接，另一端與NB-IoT模组的电源输入引脚连接，NB-IoT模组的电源输出引脚与地线连接。
另外，此物联网终端能在恶劣的自然环境下实现不间断自动传输数据。其中，利用串口输出AT指令来控制通信模块的相应动作，并结合通讯异常处理与心跳包机制，通过底层心跳包机制和上层注册包机制将模块设置为透传模式，在模块连接TCP成功之后，单片机串口发送的数据至模块的串口上，模块自动将这些数据发送至服务端[4]，实现不间断自动传输数据极大的方便了软件设计，更有利于控制软件流程。
物联网终端通过RS485串口读取水表的流量，通过压力、温度传感器结合AD转换模块获取管网压力、温度值，通过对电池的电压AD转换模块获取当前电池电压，再通过NB-IOT传输模块对获取的数据传输至服务器，通过上位机软件对数据进行分析总结归纳。
2.2 实现应用
物联网终端采用自适应选择接收GPRS或3G/4G/5G信号和NB-IOT 相兼容的硬件设备，通过MQTT + TCP/UDP 协议来传输数据实现管网数据的实时监测。
基于物联网终端的数据采集，通过NB-IOT传输模块、相应的软硬件结合，测量管网节点流量、压力、温度、电流、电压等物理现象。数据采集系统整合信号、传感器、信号调理、数据采集设备和应用软件。
物联网终端在供水管网中应用场景如下：
在管网数据采集中应用物联网终端，由于它本身带有一定的功能，所以在开发数据采集系统时，可以使系统小型化，同时方便与各种外设连接扩展，降低了开发成本[5]。
目前，3G/4G/5G、无线网络是解决通信服务的常用手段，他们覆盖范围广泛、数据传输速度快。与有线网络相比，3G/4G/5G、无线网络具有租用费用低、移动办公不受地域制约等优点，通信方式更适合于各类数据采集业务。它的计费方式是以使用数据流量的多少或大数据的包年包月来计算。
物联网时代，万物互联成为未来发展的方向，数据通信技术发展越来越好。NB-IOT具有低速率、低频段、低功耗的特点，它拥有强而广的信号，可以穿透墙壁、地面，可以覆盖几乎每一个角落，对于那些偏远地区，就可以真正实现数据的正常传输了。选择什么样的通讯方式，用户可以根据现场环境和实际要求具体选择，各通信方式的优缺点对比如下[6]：
3物联网终端的技术参数与功能
物联网终端具备接口如下：
.电源接口：输入DC3.1V～4.2V;
.下行接口：USART，TTL电平;
.调试接口：USART，TTL。（9600bps，8，N，1）。
用于设置模块参数，支持《物联网协议V1.0》：
.程序下载口：用于更新程序;
.GSM天线接口：直接安装定制天线。
物联网终端具备性能如下：
.工作温度范围：-20℃～+85℃;
.湿度范围：0～95%，非冷凝;
.最大工作电流：不大于200mA;
.待机电流：不大于5μA;
.擦写次数：E1级别，100000次;
.工业时钟：精度5PPM;
.电池工作周期：3年（传输频率24次/天）。
物联网终端的主要功能：
（1）指定时间段密集采样并存储密集采样的间隔流量;
（2）定时、定周期上傳，上传时间可按指定时间段离散开，上传周期，离散步长可自由设置，默认上传周期为60分钟;
（3）补传功能，默认补传间隔20分钟，补传次数2次;
（4）实时采集具有MODBUS通讯功能的各种水表、流量计，默认采集累计流量;
（5）低电，高流速报警;
（6）流量阀值报警，流量阀值可设;
（7）当前表读数，电池电压，NB-IoT（信号指标）、SNR（信噪比）、RSRP（参考信号接收质量）和CSQ（信号强度）上报;
（8）内嵌TCP/IP协议栈，通过NB-IoT网进入公共互联网，终端无须主机即可通信，更加方便地集成到系统中;
（9）RTC服务器时间同步;
（10）温度测量;
（11）电池电压检测;
（12）看门狗设计保证系统稳定运行;
（13）各端口具有良好的过流、 过压、 防反接、 防错接保护功能;
（14）窨井可靠通讯，匹配采用高增益天线，工业级NB-IoT模块[7];
（15）锂电池直接供电，超低功耗设计，休眠电流仅5μA。
4结束语
物联网终端通过采集、转换功能，把各种外部感知的数据进行汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网指定的中心处理平台，再通过相关软件进行分析，可以及时发现管网供水是否正常，是否存在漏点，并且可以测算出漏点区域位置和漏损情况，可以有效降低管网漏损率和产销差率，从而节约水资源，节约成本。
参考文献
[1] 中国电子技术标准化研究院等起草《物联网系统接口要求》：
GB/T35319-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.
[2] 韩进，马双.基于SIM800C的GPRS数据传输系统设计[J].电子产品世界，2016（11）：39-42.
[3] 傅仁轩，肖连风.基于物联网技术的新型数据采集与监控系统[J].网络资源，2017（9）：3-6.
[4] 范有和.面向物联网的数据采集终端设计与实现[D].武汉：武汉邮电科学研究院，2018.
[5] 杨红艳.浅析供水企业如何实现扭亏增盈[J].现代工业经济和信息化，2017（8）：19-21.
[6] 孙宪福.基于NB-IOT技术的定位终端软件设计与实现[J].中国新通信，2018（15）：110.
[7] 杜雯.物联网信息系统数据传输技术[J].工业控制计算机，2014 （8）：95-96.
作者简介
张美丽（1974-），女;职称：高级工程师，现就职单位：湖北省水利水电科学研究院，研究方向：水利信息化相关事宜。
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