本文是一篇机械论文，本文基于开水机的工作特点，应用传感器、NB-IoT通信以及远程监控平台技术，研究了开水机物联网监控系统；通过监测各个投放区域的开水机用水量，结合用水人数、设备数量以及气候环境等数据，开展面向供求均衡的开水机投放策略研究。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
水是生命的源泉，日常饮水有利于稀释血液，促进新陈代谢，能够促进食物的消化，润滑关节、肌肉和器官等组织[1]。随着科技的进步与发展，各类饮水设备被研发并使用，并朝着智能化不断发展，开水机在此种大环境下应运而生。开水机是针对公共场合的饮水需求而设计，发展至今，已经在高校、工厂、医院、车站等人员密集的场所投放使用，为人们日常饮水提供了极大的便利，得到社会的广泛认可，并逐渐成为人们日常饮水的主要来源。开水机在使用的过程中，设备的正常运行是人们随时获取饮用水的前提，而开水机的投放数量较多且投放范围较广，因此，设备管理需要投入大量的人力，才能保障设备正常稳定的工作。
随着物联网技术的发展，传统设备与物联网技术的结合，是目前的发展趋势。物联网是以计算机互联网为基础，利用RFID、无线通信等技术手段，构建出一个能够覆盖万事万物的网络[2]。物联网的网络架构体系可分为三层，分别为感知层、网络层和应用层[3]。感知层由具有感知外界信息能力的装置构成，如温度检测装置、图像处理设备以及射频识别装置等等[4]；网络层是基于无线通信技术进行数据传输，能够实现感知层与应用层之间的数据通信[5]；应用层能够实现数据的汇总、互通、协同以及决策等功能[6]。基于物联网技术的特点，实现开水机的远程监控，在设备管理上减少人力资源的投入，提高设备的管理效率，具有重要的研究意义。
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1.2 国内外研究发展现状
1.2.1 物联网研究现状
自从物联网诞生以来，就得到了广泛的关注。2005年11月17日，在信息社会世界峰会（WSIS）上，《国际电信联合2005：物联网》的报告中，正式提出了“物联网”的概念[7]。在此基础上，研究人员对物联网进行了扩展，使其不仅仅局限于RFID技术，2009年1月28日，IBM首次提出“智慧地球”战略，同年，美国将物联网与新能源作为振兴经济的重点对象[8]，欧盟委员会以政策文件的形式发布了物联网战略，提出要让欧洲在基于物联网的智能基础设施上领先全球。日本政府相继制定了e-japan、u-japan、i-japan等多项国家信息技术的发展战略。
中国早在1999年组建了2000多人的团队，启动了传感网研究。2009年，中国首次提出“感知中国”的概念，正式将物联网作为国家五大新兴战略性产业之一，在国内得到了极大的重视[9]。当前，中国在物联网产业上已经形成和拥有技术、材料、器件等一系列的产业链。国内物联网技术已经应用于智能交通、智能家居、智能消防、环境监测、工业监测、健康检测等多个领域[10]。
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第2章 系统总体方案及关键技术简介
2.1 需求分析
开水机在投放使用的过程中，设备数量较多且分布范围广，因此设备的管理较为重要，需要采集开水机的工作状态，基于物联网监控，实现设备的在线管理。当前开水机的投放多为粗犷随意，供求很难均衡，本文将研究开水机的投放策略，既要保证设备能够满足人们饮水需求，又要充分发挥设备的利用率。 本文的主要需求如下：
（1）开水机工作参数采集
为实现开水机水箱的加热与进水，需要采集开水机的水箱温度与水箱水位，确保设备的稳定运行，保障人们可随时获取开水；为分析设备的使用情况，需要对开水机的用水量进行采集；为防止开水机在运行过程中出现短路的现象，需要监测开水机的工作电流，保障设备的安全运行。
（2）无线通信
为实现开水机的远程监控，开水机控制器需要将开水机的工作数据上传至云服务器，通过制定通信协议，保障开水机控制器与云服务器之间的数据交互；除此之外，客户端与云服务器之间的通信协议也需要稳定可靠，能够保障管理人员实时查询开水机的工作数据。
（3）远程监控平台搭建
为提高开水机的管理效率，需要建立远程监控平台，使得管理人员能够实时查看开水机工作数据。远程监控平台可以获取开水机的实时工作数据，为开开水机安全可靠的运行提供了保障，满足用户日常饮水机的需求。
（4）面向供求均衡的开水机投放策略研究
通过监测开水机的工作数据，发现当前开水机投放存在着供求不均衡的现象，某些地点开水机供不应求，造成用户使用拥堵，某些地点开水机供过于求，造成设备空置，利用率低。因此，本文需要基于开水机工作数据，以供求均衡为目标，开展开水机投放策略研究。
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2.2 总体方案设计
根据系统的需求分析，本文设计了开水机物联网监控系统，系统总体设计框架如图 2-1所示。
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系统主要由开水机控制器与远程监控平台组成。开水机控制器由电源电路、微处理器电路、工作参数采集电路、控制电路、人机交互电路与NB-IoT通信电路组成。远程监控平台由数据库、云服务器以及客户端构成。开水机控制器中，电源电路为开水机控制器进行供电；微处理器电路负责数据的处理与指令的传输；工作参数采集电路可获取开水机水箱水温、水箱水位、用水量以及工作电流；控制电路能够改变开水机执行机构的工作状态；人机交互电路实现数据展示与指令发送；NB-IoT通信电路能够将开水机的工作数据上传至远程监控平台，并接收远程监控平台下发的指令。
远程监控平台基于阿里云服务器进行设计，实现数据接收、数据存储、数据展示与数据查询等功能。云服务器通过TCP协议与开水机控制器进行数据传输；数据库负责存储开水机控制器上传的数据；客户端采用HTTP协议与云服务器进行通信，通过Web网页的形式进行数据展示。管理人员可以通过远程监控平台查询开水机指定时间段的工作数据、开水机用水量的变化趋势图以及开水机的故障记录等。
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第3章 开水机控制器硬件设计 ............................. 10
3.1 开水机控制器硬件结构设计 ................................. 10
3.2 电源电路....................................... 10
第4章 开水机控制器软件设计 ...................................... 22
4.1 开水机控制器软件结构设计 ......................................... 22
4.1.1 开水机工作参数采集软件 ......................................... 22
4.1.2 执行机构控制软件 ................................... 25
第5章 远程监控平台设计 ................................ 31
5.1 开发环境介绍 .................................... 31
5.2 远程监控平台架构 ....................... 31
第7章 系统测试与分析
7.1 系统测试平台搭建
（1）开水机控制器主板
开水机控制器主板如图 7-1所示，其中，1为12V电源接口，2为进水电磁阀、出水电磁阀、加热单元以及开水机电源的控制接口，3为NB-IoT模块，4为LCD显示屏，5为流量计接口，6为温度传感器接口，7为I/V转换接口，8为交流变送器与压力变送器接口。
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第8章 总结与展望
本文基于开水机的工作特点，应用传感器、NB-IoT通信以及远程监控平台技术，研究了开水机物联网监控系统；通过监测各个投放区域的开水机用水量，结合用水人数、设备数量以及气候环境等数据，开展面向供求均衡的开水机投放策略研究。本论文主要完成了以下工作：
（1）开展开水机物联网监控系统及投放策略研究的需求分析，进行系统总体方案设计，并对涉及的关键技术进行简介。
（2）开展了核心器件选型，完成了开水机控制器硬件电路设计，主要包括电源电路、微处理器电路、工作参数采集电路、控制电路、人机交互电路和NB-IoT通信电路等。
（3）设计了开水机控制器软件，主要包括工作参数采集、执行机构控制、人机交互、NB-IoT通信等，并制定了开水机控制器与远程监控平台间的通信协议。
（4）搭建了云服务器，建立了数据库，设计了客户端。云服务器采用了SpringBoot框架与客户端进行通信，并集成了 Netty框架与开水机控制器进行数据交互；数据库采用了MySQL数据库存储开水机的工作数据；客户端以Vue.js框架为设计核心，完成了登录、监控、历史数据查询等界面的设计。
（5）以高校用户作为研究对象，获取了开水机原始数据并进行归一化处理，建立了神经网络模型并开展模型训练，通过精度达标的模型，预测开水机的年均用水量，以供求均衡为目标，对预测结果进行分析，提出了开水机最优投放策略。
（5）搭建了系统测试平台，对数据采集、人机交互、数据传输以及远程监控平台展开测试分析工作。测试结果表明，系统能够完成开水机的工作数据采集、设备监控以及数据的可靠传输，远程监控平台可实现数据查看、数据存储以及远程控制。
参考文献（略）