基于NB-IoT的城市供水管網監測系統設計與實現

石明鈞 夏青

摘要：針對一些城市供水管網漏損率較高導致資源浪費、經濟虧損等問題，為了實現城市供水管網管理的智能化，使管理人員能夠能直觀、便捷地監測供水管網運行狀態，文章提出了一套基于NB-IoT技術的城市供水管網監測系統設計方案。該方案使用STM32微控制器進行數據的采集與預處理，通過NB-IoT技術將處理好的數據通過相應的協議發送給云平臺，使管理人員可以對供水管網的運行狀態進行實時監測。測試結果表明，該方案實現了城市供水管網的運行狀態監測，達到預期設計目標。

關鍵詞：城市供水管網；數據采集；STM32；NB-IoT；低功耗；云平臺

中圖分類號：TP302? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0101-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著城鎮化的快速發展和人口的快速增長，供水管網的覆蓋范圍不斷擴大，新舊管網交錯縱橫，形成了一個復雜的網絡系統[1]。由于城市供水管網一般埋于地下、鋪設距離遠、地理位置復雜，且鋪設地區環境復雜，潮濕多變的地理環境、設備供電問題等原因極大限制了監測系統的智能化，導致設備不能長久穩定工作，數據傳輸準確性、穩定性都受到了很大挑戰，供水管網在出現漏損、爆管等異常時不能及時反饋到監測系統，延誤工作人員的修復時間，水資源被大量浪費。

當前，對供水管網的監測主要采用有線監測和無線監測2 種方式[2]。隨著通信技術的迅速發展，無線監測相對于有線監測而言，具有布線簡單、安裝維護成本低等優點，更加適合用于管網監測。近幾年新推出的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things） 技術具備傳輸距離遠、功耗低、大連接、低成本等特點[3-4]，適合運用于對網絡連接和功耗有較高要求的智能設備。針對傳統監測系統中傳輸距離短、續航時間短、擴展與升級不便、覆蓋范圍小等諸多不足之處，本文利用了NB-IoT技術的獨特優勢設計了一種城市供水管網監測系統，實現了城市供水管網相關數據的有效監測和監測節點的智能管理。

1 系統方案設計

系統由終端監測節點、服務器端、云平臺、監控平臺組成[5-6]。終端監測節點由STM32微控制器為核心，通過壓力傳感器、流量傳感器、GPS定位模塊實現對供水管網信息采集，并通過NB-IoT無線通信模塊將終端監測節點采集的數據發送給物聯網平臺，實現對數據的存儲與處理。監控平臺實現數據的可視化、設備管理、歷史數據查詢等功能，當出現異常時，監控平臺會在用戶界面做出預警提示，并將報警信息存在數據庫中，方便日后查看。系統整體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

根據系統功能需求設計，終端監測節點硬件主要由主控制器MCU及外圍電路、NB-IoT通信模塊、壓力變送器、流量變送器、溫度傳感器、數據存儲模塊、電源相關電路等組成，主要負責數據采集、處理、存儲、傳輸等工作[7-8]。監測節點硬件總體結構如圖2所示。

2.1 主控模塊

考慮到本系統對功耗、成本、穩定性等方面有一定要求，本文最終選擇STM32L151C8T6作為終端監測節點的主控制器，支持多種串口通信，在Low-power Run mode模式下功耗低至9μA。STM32L151C8T6最小系統設計如圖3所示。

2.2 傳感器模塊

本系統設計需要對供水管網的運行狀態監測，監測的主要參數為流量及壓力數據，選取的傳感器為流量及壓力變送器，采用DC24V供電，輸出信號為4～20mA，設計電壓轉換電路將采集的模擬電流值轉換為模擬電壓值，通過微控制器的ADC通道進行數據采集，其數據采集電路設計方法一致，如圖4所示。

2.3 NB-IOT通信模塊

本系統選擇移遠BC20模塊作為系統的NB-IoT通信模組進行電路設計，電路原理圖如圖5所示。BC20是一款同時支持GNSS定位功能的高性能NB-IoT模塊，它能夠在低功耗運行模式時，實現工業級的接收靈敏度、高精確度以及快速定位，并能通過串口UART與STM32控制單元進行數據交互，將數據上傳到云平臺[9-10]。

BC20模塊的SIM卡由模塊內部的電源供電，支持1.8V外部SIM卡接入。在選擇好合適的SIM卡座后，需要完成與BC20模塊的電路連接。SIM卡外圍電路設計如圖6所示。

2.4 數據存儲模塊

為防檢測設備出現意外掉電等異常情況，系統終端監測節點需要具備一定的數據存儲能力，將傳感器采集的數據、經緯度信息等存儲到本地。由于STM32自帶的FLASH存儲空間十分有限，系統設計使用Micro SD卡來擴展存儲空間進行本地數據存儲，其具有小尺寸、大容量、低功耗、讀寫速度快等特點，使用SPI接口與主控單元進行通信，接口電路圖如圖7所示。

2.5 電源模塊

監測設備需要廣泛分布，系統使用大容量鋰電池供電。STM32L151C8T6的工作電壓為3.3V，而鋰電池的標準工作電壓為3.7V，需要設計相應的穩壓電路以保證STM32正常工作。輸入輸出壓差不大，采用ME6211C33 LDO對輸入電壓降到3.3V后輸出給STM32，滿足硬件低功耗設計需求，電源穩壓電路如圖8所示。

壓力變送器與流量變送器均需要DC24V供電，需要設計24V的升壓電路，本設計選用的BOOST芯片為XB61041，此芯片的電壓輸入范圍為1.8～6.0V，可調節輸出電壓高達28V，高達1MHz的開關頻率，支持低功耗應用，靜態電流僅為28uA，符合硬件設計的功能需求，升壓電路如圖9所示。

3 系統軟件設計

監測終端主程序流程圖如圖10所示。首先進行系統初始化，然后執行BC20模組的入網程序，入網成功則程序繼續向下執行。判斷電源開關鍵是否按下，若開關鍵按下則執行關閉電源程序，監測終端關機，程序結束。若按鍵沒有按下，定時時間到達則開始執行各傳感器數據的采集程序，并判斷數據是否采集成功，若失敗返回相應的錯誤信息并重新進入主函數循環，若數據采集成功則通過BC20模組向云平臺發送處理后的數據，同時判斷數據是否發送成功，發送成功則重新進入主函數循環，發送數據失敗則返回錯誤信息。

BC20模塊集成了支持GPS、BeiDou的GNSS引擎，可以實現快速、準確的定位。BC20模塊支持標準NMEA0183協議，其中包括多種通信消息格式，考慮到系統需求，采用最簡定位信息RMC作為通信消息格式。定位信息采集流程圖如圖11所示。

系統設計中壓力、流量變送器所采集的信號皆為4～20mA信號模擬量，經過一個150Ω產生模擬電壓信號并通過STM32L151C8T6的ADC通道進行采集，其中壓力模擬電壓的輸入通道為19，流量模擬電壓的輸入通道為20。壓力、流量數據采集流程圖如圖12所示。

系統設計使用中國移動開發的OneNET云平臺，STM32主控單元將采集的數據處理后發送給BC20，BC20通過LwM2M協議與物聯網云平臺進行數據通信。在LwM2M協議中，終端設備的屬性被抽象為對象以及資源，各類監測數據都是其對象且擁有不同的Object ID，各對象下擁有不同的數據資源，可以根據功能需求在資源列表中選擇合適的資源屬性。例如終端監測節點采集的GNSS信息就是一個對象，而系統需要的緯度、經度就是其資源列表中的部分屬性，最終采集的資源屬性的數據將通過相關處理上傳給OneNET云平臺，終端節點使用的Object資源描述如表1所示。

在確定了接入協議以及Object相關資源之后，終端監測節點將發起請求接入OneNET云平臺并傳輸處理后的數據，其與OneNET云平臺的數據交互流程如圖13所示。

在終端監測節點運行的過程中，設置好循環周期時間，循環時間到達后進入數據采集函數并將不同的數據分別存入對應的AT指令發送數組，通過一個計數值onenet_ok判斷是否所有Object資源注冊完成，onenet_ok=4時表示所有資源注冊完成，然后OneNET平臺發送不同的數據，完成數據上傳后等待下一輪周期到達。

4 系統測試

待硬件系統設備連接并初始化完成后，通過串口助手對STM32主控單元進行調試。在BC20模塊開機之后，使用AT命令測試信號質量。信號質量正常后，繼續測試ESP網絡注冊狀態以及PS域附著情況，測試正常后，向BC20模組發送“AT+CGSN=1”命令獲取IMEI，其標識碼為862177042733900，隨后向BC20模組發送“AT+CIMI”獲取IMSI，其識別碼為460049167418294，如圖14所示。在OneNET云平臺將對應信息添加完設備后，發送“AT+MIPLCREATE”命令創建通信實例，并得到返回結果ID為0，再發送“AT+MIPLOPEN=0，86400”命令發送注冊請求，注冊成功后發現設備在線，即可正常接收設備端數據，如圖15所示。

5 結束語

為滿足對城市供水管網智能化監測的需求，本文設計了一套基于NB-IoT技術的城市供水管網監測系統設計方案。此系統可以對城市供水管網的運行參數等進行實時監測并上傳給云平臺，對云平臺進行開發，實現數據的可視化，方便管理人員查看獲取管網運行狀態。測試表明，系統運行穩定，達到了預期目標。

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【通聯編輯：唐一東】