基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

遠(yuǎn)程中心監(jiān)控節(jié)點是整個系統(tǒng)的管理中樞，用于匯集并處理各區(qū)域的水文參數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果提出不同的合理化建議，主要完成數(shù)據(jù)的存儲與處理、數(shù)據(jù)的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能。其硬件組成主要是大規(guī)模的磁盤陣列以及高性能的工作站服務(wù)器。

在整個水文監(jiān)測系統(tǒng)硬件部署、軟件參數(shù)設(shè)置完成后，就可以對部署了終端傳感器節(jié)點的水區(qū)域進(jìn)行水文參數(shù)的主動監(jiān)測。其具體流程如下:

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出控制指令，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點，啟動激活終端傳感器節(jié)點進(jìn)行水文參數(shù)檢測。

(2) 終端節(jié)點處理器收到指令后，由主處理器對命令進(jìn)行解碼。若節(jié)點地址與控制指令中的地址一致，則啟動傳感器進(jìn)行水文參數(shù)采集，并將最終采集到的數(shù)據(jù)傳送給節(jié) 點處理器。節(jié)點主處理器捕獲到測量數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析、融合，并將水文數(shù)據(jù)打包成符合6LoWPAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀，然后加入包頭、節(jié)點編號 等信息后送到射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)射，同時也可在該節(jié)點實現(xiàn)其他節(jié)點的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

(3) 中心節(jié)點匯聚各個終端節(jié)點參數(shù)，發(fā)出相應(yīng)控制指令。

2 軟件系統(tǒng)集成及設(shè)計

水文監(jiān)測系統(tǒng)的管理功能比較復(fù)雜，任務(wù)多樣，需要監(jiān)測的水文參數(shù)種類多，僅目前就包括水溫、水位、PH 值等參數(shù)測試，而且為了今后的拓展，還必須為今后其他水文參數(shù)測試預(yù)留軟件接口。同時，水文參數(shù)測試結(jié)果的通信方式的種類差異也較大，軟件設(shè)計涉及大量的 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計管理工作。為便于不同模塊的接口，軟件設(shè)計整體應(yīng)采用一致性、模塊化設(shè)計。所有節(jié)點開發(fā)和應(yīng)用平臺可選用Linux 操作系統(tǒng)，因為Linux 系統(tǒng)成熟穩(wěn)定、源代碼開放，尤其在網(wǎng)絡(luò)通信方面有其獨到的優(yōu)勢。終端節(jié)點由于其節(jié)電性方面的要求，可采用裁剪后的最小嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用普通嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，而中心節(jié)點則采用完整的Linux 系統(tǒng)，這種軟件平臺架構(gòu)保證了整個系統(tǒng)的軟件一致性，以便于以后的保障和維護(hù)。

2.1 終端節(jié)點的軟件設(shè)計

終端節(jié)點的硬件平臺主要包括核心控制器、I/O 接口、存儲模塊及射頻收發(fā)模塊等，其硬件構(gòu)成決定了終端節(jié)點采用裁剪后的最小嵌入式Linux 操作系統(tǒng)比較符合終端節(jié)點特性。同時，由于終端節(jié)點以及物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的特殊性，其通信協(xié)議不可能采用完整的IP 協(xié)議棧，而必須采用修改后能適用本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來實現(xiàn)報文的分片和重組、報頭壓縮和地址自動配置、組播和安全。協(xié)議棧數(shù)據(jù)幀格式符合 IEEE802.15.4，其水文參數(shù)測試協(xié)議幀格式如圖2 所示，其中MAC 負(fù)載部分包括上層協(xié)議幀控制信息、水文參數(shù)、傳感器節(jié)點號等信息。

圖2 水文參數(shù)測試協(xié)議幀格式

作為終端節(jié)點，軟件節(jié)能設(shè)計是其中的一個重要考慮。為了避免節(jié)點頻繁進(jìn)入暫停工作等待充電的工作模式，減少無用數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳感器節(jié)點采 用基于閾值的工作方式：當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小在報告閾值以內(nèi)時，不予發(fā)送，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小超過報告閾值而在告警閾值以內(nèi)時，以較長的周期循環(huán)報告實時數(shù)據(jù); 當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小超過告警閾值時，以較短的周期循環(huán)報告實時數(shù)據(jù)。這樣的工作方式既保證了關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)的可靠獲取，又減少了頻繁發(fā)送無用數(shù)據(jù)的能量消耗。

2.2 水文監(jiān)控中心軟件設(shè)計

水文監(jiān)控中心應(yīng)用軟件的設(shè)計目標(biāo)是盡可能地使得系統(tǒng)友好，使用戶操作簡單直觀，對險情或者異常情況表示及告警明顯。在方案設(shè)計中，上層部分不但 需要提供給用戶與系統(tǒng)交互能力相適應(yīng)的界面，還需要提供對水文參數(shù)進(jìn)行歸納、綜合分析等功能的實現(xiàn)模塊以及與底層交互的通訊模塊。

基于設(shè)計目標(biāo)的要求，其監(jiān)控中心的軟件平臺設(shè)計采用B/S 架構(gòu)，應(yīng)用界面程序部分和核心平臺之間采用多種耦合方式。核心平臺可以作為界面的一個功能模塊DLL 嵌入上層直接調(diào)用底層庫函數(shù)，也可以把核心平臺單獨作為一個獨立的進(jìn)程，二者之間通過操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程間的管道機(jī)制實現(xiàn)通信。監(jiān)控中心應(yīng)用程序通過核心 平臺實現(xiàn)對水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的管理，并啟動終端水文監(jiān)測節(jié)點來采樣區(qū)域水文資料。監(jiān)控中心在收集到由路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的水文采樣數(shù)據(jù)之后，可將數(shù)據(jù)存儲于后臺數(shù) 據(jù)庫中，同時提供用戶界面對水文參數(shù)進(jìn)行分析處理，并采用圖形方式進(jìn)行顯示，最終根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行視覺或聲響告警。系統(tǒng)應(yīng)用程序主要包括文件處理模塊、系 統(tǒng)配置模塊、分析處理模塊以及告警模塊等4 個功能模塊。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)平臺采用Linux 系統(tǒng), 存儲數(shù)據(jù)庫則采用ORACLE 大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫[7-8]。

通過文件功能模塊可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)取以及打印等功能，也可以保存設(shè)置應(yīng)用程序工作環(huán)境參數(shù)等功能，同時可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的永久性存儲，以便于后期數(shù)據(jù)的綜合化處理。

配置功能模塊采用圖形化的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)節(jié)點、整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由以及終端傳感器的參數(shù)設(shè)置，從而達(dá)到對整個水文監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件配置，包括應(yīng)用程序啟動時對硬件的檢測以及檢測通過后初始化測試所需要的軟硬件環(huán)境。

分析處理模塊是整個監(jiān)控中心的核心模塊，主要包括水文數(shù)據(jù)的分析、歸類、比較、模型建立、數(shù)據(jù)歸一化處理以及對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行描繪和顯示等功能。大致的功能包括下列4 個方面：

(1) 結(jié)合地理信息系統(tǒng)，將所有終端節(jié)點的位置及其實時數(shù)據(jù)顯示在地圖上，這樣可實現(xiàn)監(jiān)測者快速定位水文終端節(jié)點地理坐標(biāo)，全局監(jiān)測整個水域的水文信息情況;

(2) 以時間坐標(biāo)為基軸，將所有終端節(jié)點的歷史或?qū)崟r數(shù)據(jù)顯示在以時間為橫軸的曲線圖上，以便于監(jiān)測者分析一段時間內(nèi)水文參數(shù)的變化情況，進(jìn)而結(jié)合其他監(jiān)測信息分析發(fā)生的原因，完善預(yù)警機(jī)制;

(3) 基于節(jié)點標(biāo)識的展示，對所有節(jié)點按網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的標(biāo)識大小進(jìn)行整體的實時數(shù)據(jù)和節(jié)點狀態(tài)顯示，以便監(jiān)測者抽取導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時觀察節(jié)點異常狀態(tài)，對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行及時有效地維護(hù);

(4) 建立水文參數(shù)模型，構(gòu)建參數(shù)預(yù)測模型，建立專家系統(tǒng)，提供領(lǐng)導(dǎo)決策科學(xué)依據(jù)。告警功能模塊可實現(xiàn)對水文參數(shù)的異常情況的報警，主要實現(xiàn)異常節(jié)點的快速定 位、進(jìn)行聲光報警提示以及按照設(shè)定策略進(jìn)行異常處理。報警的方式主要包括在圖形界面上快速閃爍紅色告警提示信息，通過揚(yáng)聲器發(fā)出告警提示聲音[9]。其軟 件整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。