基于MQTT通信的二次供水智能感知终端研制与应用
时间：2023-01-20 13:00:18 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈治平，刘姗姗，康盛
(上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200237)
随着社会经济的逐步发展和生活水平的日益提高，城市居民的生活用水安全问题受到社会普遍关注和重视。近年来城市居民的生活用水安全已被纳入国家公共卫生安全体系，因为这是关系到居民身体健康的一个重大问题。近年来我国的大中城市整体供水质量在经过稳步的发展后虽然有了很大程度的提高，但还有许多城市在二次供水环节中由于管网系统的长期运营，仍存在不少安全隐患。
二次供水是指将城市公共供水经储存、加压后通过管道再输送到居民用户用水终端的过程。这一过程中也可能是引入二次污染的主要环节。在一些供水条件较好的城市，公共输送管网硬件设施建设非常先进和完备，基本可以把符合国家标准的合格水体提供给本区域内城市居民，但经常由于二次供水设施差，密封性不强，对于水体的防护措施不能完全到位，水体在储水设备中长时间滞留或受到不同程度污染等原因造成最后输送到居民家中的实际用水质量差，水质达不到国家标准的要求，给使用二次供水城市居民的身体健康和生命安全带来了极大隐患。
目前在欧美国家二次供水健康度检测系统方面发展比较迅速，设施也比较先进，已纷纷进入了仪器法阶段。这些国家仪器自动监测技术应用于市政二次供水领域已经有一、二十年的历史，并且拥有丰富的经验和成功的案例，主要以监测水温、pH、溶氧量、余氯含量和总有机碳等水质指标为基础。
我国在市政二次供水健康度监测方面的发展晚于国外先进国家约十年，国内目前也有多家研发此类设备做二次供水在线健康度监测的厂商，其产品在功能方面经过多年的研发，也得到一定的发展,与国外产品不相上下。但在性能方面还与国外产品有些差距，尤其在数据采集和通信方面存在诸多问题[1]。
由于二次供水污染事件的曝光增加，近年来二次供水健康度的监测工作也逐渐受到重视。各二次供水单位纷纷采用自动化、仪表、生物工程、计算机和通信等现代化技术来应用于市政二次供水健康度监测。对水温、溶氧、电导率、消毒余留、微生物和浑浊度等水质的一些主要指标进行智能化在线监测管理。在实施健康度监测过程中，由于二次供水终端都在地下泵房和屋顶水箱旁，在通信方面遇到新的问题挑战，本文针对解决通信问题提出了采用消息队列遥测传输(message queuing telemetry transport,MQTT)协议实现远程通信的技术。
1.1 智能终端功能和性能要求
由于二次供水环境多处于阴暗潮湿的地下室以及风吹日晒的楼顶，甚至偏远荒郊的野外等恶劣环境区域，这就要求提供检测的市政设施智能感知终端必须具备抗腐蚀、抗干扰和长寿命的特征，并且能实现在恶劣环境下具备长期运行的性能。为了减少污染源和提高监测效率，要求在功能上通过一台智能感知终端替代多块单功能检测仪表，通过对二次供水采样可实现多元多维多参数据监测。为了便于集中监测和方便用户及时了解水质信息，智能感知终端还需提供边缘数据融合处理和数据云端接入功能，以便实现样本数据可视化和质量可溯源[2]。
二次供水目标场景可实现在用户水箱、小区泵房和工厂蓄水池对管网水质检测智能感知终端的功能，如图1所示。
图1 二次供水检测终端场景需求
1.2 智能感知终端设计
根据国家环保部颁布的《水质自动分析仪技术要求》规定，以及现在中国饮用水水源的水质特点，应该主要考虑可连续测量温度、pH、浊度、余氯消毒剂和ORP等5个主要指标，可扩展电导ORP等水质参数。
余氯是氯消毒的水质参数，水与所加的氯反应后在水中剩余的有效氯总量,单位为毫克/升。处理生活饮用水时，常用氯气或某些氯化合物(如次氯酸盐、氯胺化合物)进行消毒，有时也用氯气氧化污染较严重的原水以改善水质。这需要测定余氯含量以控制处理过程来保证二次供水水质。其中余氯检测采用恒压原理余氯/二氧化氯传感器，要求电极结构简单，易于清洁和更换，同时电极使用过程无须更换膜片与试剂，维护简单，可确保仪器长期工作的稳定可靠性和数据准确性。
浑浊度是水体重要的物理性状指标之一，它表征水中悬浮物质等阻碍光线透过的程度，是由水中存在颗粒物质如黏土、污泥、胶体颗粒、浮游生物及其他微生物而形成，用以表示水的清澈或浑浊程度。一般来说，水中的不溶解物质越多，对应浑浊度也越高。浑浊度检测浊度采用EPA原理的90°散射光技术，采用LED光源，功耗低，光源寿命长。
pH、ORP测量技术比较成熟，均采用玻璃电极法，稳定可靠。温度则以PT1000热电阻测量，具有输出稳定和精度高的特点。
所有的传感器都采用数字电极，标准的通信接口。智能感知终端具备多协议数据采集能力，实时接收和读取传感器传递的数据信息以及支持实时处理、存储和转发[3]。
根据上述功能需求，合理设计设备布局。整套设备由外壳柜体、前置过滤器、微调流量计、内部水路、电极检测流通槽、电源模块、浊度仪表、电化学数字传感器(pH、ORP、电导、余氯、温度)、数据采集单元和数据远传单元等几个部分组成，具体结构如图2所示。
如图2所示,浊度单独采用了一路水路，主要是为了防止其他电极对水质的污染，从而影响浊度的测量。
图2 智能感知终端设备结构图
另外，余氯也采用了单独的测量流通装置，主要是为了给余氯电极提供稳定的流量和流速，用以确保余氯数字电极测量的准确和稳定。
二次供水智能终端设备工作原理流程如图3所示。
图3 智能终端设备工作流程图
图3中，智能终端设备以主控板数据信号采集与处理为中心，通过多参数流通槽进水采样进入管道。各传感器实时监测水质数据由多参数控制板接入主控制板，主控制板支持显示数据输出和通信输出。
整套系统具备以下特点：
(1) 模块化设计，系统集成程度高、质量轻、体积小。
(2) 基于多源多维多参的设计，保证数据可靠、稳定和准确。
(3) 使用触摸屏操作或移动终端，界面设计人性化，操作简便。
(3) 先进的光学测量系统，确保测量结果可靠性。
(4) 维护量低,使用寿命长。
(5) 运行过程不需要消耗任何试剂，无二次污染。
(6) 具有断电保护、自动报警功能。
(7) 拥有完善的用户权限管理系统。
1.3 基于MQTT协议的通信架构设计
因二次供水健康度监测关系到城市居民身体健康和生活品质，在超大城市通过市政“一网统管”平台监测包括工厂、泵房、水箱和用户在内的几十万台智能感知终端的健康度数据，同时数据采集通信必须实现准实时、抗干扰和可重构等性能要求。由此可见，如何保证通信的稳定性和可靠性是智能终端开发的瓶颈和难点。
对市面上多种物联网系统通信协议在不同应用场景下的数据时延和吞吐量进行了系统技术分析，效果较好的是MQTT协议。它是由IBM公司发明的一种轻量级即时通信协议，该协议网络层以TCP/IP为基础，也是一种应用层的协议。在该协议中有两个特殊的角色：一个是请求数据客户端，另一个就是MQTT代理服务器。MQTT代理服务器类似于一个中介，所有的客户端都会把订阅到主题的消息发送到一个MQTT代理服务器，由代理服务器将这个消息直接转发给那些已经订阅了该主题的客户端。因此一个MQTT客户端，它既可以是消息的发布者，同时也可以是消息的订阅者[4]，如图4所示。
图4 MQTT的通信架构
这样设计的优势在于“一网统管”平台无需和成千上万个智能终端建立实时通信长连接，所有智能监测终端的数据只需要发布到代理服务器，平台根据二次供水业务场景的需求来选择性订阅需要的数据，推送到客户端软件界面。这样就可以满足各业务场景在计算能力有限且工作在低带宽、不可靠的网络条件下工作。并且在发布数据的过程中，还可以根据不同可靠性要求选择不同发布服务质量，如以下三种质量：
(1) “至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。有时会发生消息丢失或重复的现象，这一级别可用于以下情况，如温度传感器数据，丢失一次记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。
(2) “至少一次”，确保消息到达，但可能会发生消息重复。
(3) “只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在健康度监测中消息重复或丢失会导致不正确的结果。
这样可以根据服务质量要求的选择来降低网络的负载和计算的压力，满足在恶劣工况下对二次供水采样实现多元多维多参数据检测要求。
1.4 MQTT的通信格式设计
MQTT协议采用json格式文件来进行数据交换，它通常可以直接用来表示几个数组和很多对象，并以键值对的形式构建。这样设计的优点是可读性强，面向对象的开发应用程序有很好的适应能力，并且非常直观地可视到相同字节大小的信息内容传输。
1)消息对象结构定义
MQTT协议为了表达物联网智能终端之间通信传输协议内容的通用性，需要抽象出一个通用的对象，使其能够表示不同物联网智能终端设备上传递的不同信息。物联网智能终端设备的种类多样性以及功能全面性决定于无法用一个通用的对象去表达，需要设计一种消息对象结构来实现设备统一管理。在二次供水健康度监测指标内容中，根据不同指标的数据类型和描述内容进行设计。为了便于WEB服务器软件解析识别，设计成表格形式，如表1所示。
表1 MQTT协议消息对象属性定义
2)报文格式示例
例：当智能终端采集的数据为如下：
{
终端编码为10001，
余氯值为13.12，
pH为7.33，
氧化还原电位值为151，
电导率值为80，
浑浊度值为0.01，
温度值为13.1
}
此时智能终端对应发送的json报文为：
{"devid":10001, "timestamp":"2022-01-21 15:18:43",
"fcl":13.12,
"pH":7.33,
"orp":151,
"turb":0.01,
"temp":13.10
}
二次供水智能感知终端研制成功后于2021年在上海某小区投入应用。该小区位于上海市中心位置，市政管网接入小区后通过地下室和楼顶两个泵房给一千多户居民提供增压供水。为了更好保证城市二次供水的品质和居民身体健康，对小区二次供水点实时采样监测，监测数据实时传送到集控中心，当水质出现异常时可及时报警以便采取相应的预案措施[5]。
项目硬件网络架构如图5所示。
图5 项目硬件网络架构
智能感知终端：为研制仪表设备，采集泵房二次供水水质健康度参数，包括pH、ORP、电导、余氯和温度等参数值，并提供采集数据转发功能。
通信模块：采用4G DTU通信模块，透明连接云端MQTT服务器，实时将采集到的二次供水水质健康度参数发送到MQTT服务器。
集控中心：实时读取MQTT服务器中所有智能感知终端的健康度数据，然后更新画面可视化数据。当水质数据出现越限异常时，集控中心软件平台提供实时报警功能，并启动相应的应急预案。集控中心软件监控画面如图6所示。
图6 项目软件监控画面
本文以保障城市供水管网水质安全和饮水居民身体健康为目标，针对供水环节中最容易出现污染的二次供水环节作为切入点，研制开发了一款二次供水健康度监测智能感知终端设备，并针对传统的二次供水智能感知终端在通信方面的薄弱环节，提出基于MQTT通信架构优化设计。改进后的通信架构在项目的应用证明，智能终端设备通信的稳定性和可靠性得到较大程度的提高。这为集控中心的各种预案提供了重要的数据基础，也为城市饮用水安全建设提供了强有力的保障。
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