基于物联网的校园智慧水务信息管理平台研究

陆 青, 邓敏茜, 李春玲

(广西建设职业技术学院, 广西 南宁 530007)

当前我国水务环保行业市场化规模逐渐扩大,各地高校逐步实现对校园内部水务的自主管理。 由于校园内部水务管理起步晚,在实际管理中存在信息传递脱节、管理水平不统一、重点单元能源消耗大等问题;加之水污染问题具有很大的偶然因素,客观上需要对水务进行全面、实时和动态的监督与管理。当前校园内部水务管理的问题具体体现在以下方面:首先,水资源基本信息缺乏,一些水情监测只能依靠人力解决,监测精度低、频率低,监测广度等基本要素缺乏[1];其次,没有专门的数据中心,数据的存储、处理等技术还需要不断完善,资源共享强度需加强。 本文结合物联网技术,开展对校园智慧水务信息管理平台的设计研究。

1 基于物联网的智慧水务信息管理平台

1.1 平台框架结构设计

校园智慧水务信息管理包括供水管理、泵房管理和水量管理。 为实现对校园水务信息的管理,根据其基本需要,对管理平台的框架结构进行设计。校园智慧水务信息管理平台包括监控层、感知层和应用层,见图1。

图1 水务信息管理平台框架Fig.1 Framework of water information management platform

监控层包括监控主机和视频机,用来管控水务的生产设备、管网设备和终端设备,并感知水源、水厂、室内、室外和传感器等信息;感知层包括生产设备、管网设备和终端设备;应用层包括水源、水厂、室内、室外和传感器。

平台包含的硬件和软件可实现对数据的实时监测,并将采集的数据通过物联网将其传输到平台数据库中并实现集中处理[2]。 通过平台应用,将校园用水实时水质情况传输到水质监测中心,另外,通过物联网技术精确把握不同用水量需求,及时调整各供水管线的供水量。

1.2 平台硬件选型

信息采集是水务信息管理平台运行的关键,根据平台的运行及功能需求,平台应用具备流量监测传感器和水质监测传感器。 流量传感器具有反映灵敏、寿命长、动作迅速、安全可靠、连接方便利启动流量超低(1.5 L/min)等优点,而水质监测传感器应用于自来水管网水质监测,将流量传感器和水质监测传感器与管道水平布局衔接,传感器性能指标见表1。 通过各硬件结构配合,将水务信息上传到平台管理中心,为后续对水务信息的管理提供有利的数据支撑。

表1 传感器基本性能参数Tab.1 Basic performance parameters of sensors

1.3 基于物联网水务信息数据传输与数据库构建

1.3.1 数据传输

本文涉及的校园智慧水务信息管理平台包含两种数据传输方式:一种通过下位机实现对所需水务信息数据的采集,通过物联网实现数据传输,并将所获取的数据以统一格式存储在平台数据库当中;另一种在平台中设计数据录入入口,由管理人员直接对平台数据进行录入[3]。 将物联网技术应用到数据传输中实现数据传输的原理见图2。

图2 基于物联网的水务信息传输原理Fig.2 Principles of water information transmission based on the Internet of Things

由于水务设备种类多,下位机采集的数据种类也较多,从底层计算机向上层计算机传送的海量数据流将给平台数据库带来很大的负荷,为合理利用数据库的存储空间,同时满足水务信息管理对数据传输的需求,必须设置适当的数据采集发送频率。根据通讯协议和实际条件,设计下位机的传输频率为10 帧/min。

在具体传输过程中,通过建立的物联网感知节点来获取原始数据,再将其发送到汇聚单元,物联网感知节点所收集到的数据由汇聚单元进行预处理。通过物联网向节点传送经过处理的数据由平台服务器实现数据的接收[4-6]。 在对原始数据进行处理时,如果水质数据与传感器数据存在线性关系,可采用线性转换方法完成。 该转换公式(1)见下式:

式中:A表示线性变换后的数据;Nm表示A/D 变换后的数字;N0表示A/D 变换前的数字;Am表示测量数据范围的最大值;A0表示被测数据量程下限;B表示测量数据的最低限度。

1.3.2 数据库构建

管理平台的核心功能是实现对水务信息的监管,利用物联网技术,将下位机采集到的数据进行接收和存入数据库。 在管理时,根据需要获取数据库中的信息,并在上位机展示,实现管理功能。 在本平台的开发过程中,数据库的工作流程见图3。

图3 管理平台数据库基本工作流程Fig.3 Basic workflow of managing platform databases

1.4 水务设备管理与信息可视化展示

管网出现紧急情况时,平台可立即获取异常泵站阀门的监管权,并远程改变泵站运行状态,实现对紧急情况的快速响应。 为进一步提升管理性能,在平台中应用远程控制和技术预警处理双层保障体系。 水务设备管理中的危机处理流程见图4。

图4 水务设备管理中危机处理流程Fig.4 Crisis handling process in water equipment management

除了对水泵网管运行情况的实时监控与管理外,在平台上增加可视化展示模块展示水务信息,更进一步掌握校园内用水用户对水资源的需求情况。根据规律进行对水资源的优化调度,提升水资源的使用效率。 在对水务信息可视化展示时,可以将每日最大压力、最小压力、平均压力等作为重点展示数据,以此实现对一定时期内水资源用量变化的分析,实现水资源优化调度,提高水务信息管理成效。

2 对比实验

根据上述论述,从理论方面实现了对基于物联网技术的管理平台的设计。 为验证该平台在实际应用中是否能够实现对校园智慧水务信息的有效管理,将基于SOA 架构的管理平台、基于云计算的管理平台和本文设计平台分别作为对照A 组、对照B组和实验组,对设计的管理平台进行效果验证。 三组管理平台均在Eclipse 集成开发环境中,Windows64 位操作系统上运行,利用J2EE 技术体系实现开发,并使用MySQL 数据库负责数据的存储及管理,通过Tomcat 开元服务器实现对平台内各项功能的部署,并选用同一服务器和同一网络下,进行海量水务信息数据的管理。

选择平台的管理数据量作为评价指标,平台能够管理的数据量越大,则说明平台运行性能越优,反之,则说明平台运行性能越差,结果见图5。

图5 三种管理平台运行性能对比Fig.5 Comparison of the operational performance of three management platforms

由图5 可知,相同的运行时间,实验组平台能够实现对800～1 000 Mbits 数据量的水务信息管理,而对照A 组和对照B 组管理平台数据量最多仅为625 Mbits。 运行5 h 时,对照B 组出现数据量缺失的问题,主要原因是对照B 组处理的水务信息过多,平台无法实现有效运行。 上述实验结果证明,本文提出的基于物联网的管理平台可以实现对多数据量水务信息的管理,且其管理效率高于其它平台。

3 结语

将物联网技术应用到校园智慧水务信息管理中,基于该技术的应用优势,构建一种新的水务管理平台,该管理平台可为校园智慧水务管理提供有利的技术条件。 未来还将结合更多现代化的技术手段,实现对校园水务信息的全面监管,构建更加强大的校园水务管理体系。