基于Nagios和Cacti平臺的地質災害監(jiān)測預警無線傳感網網絡管理系統(tǒng)

摘要：無線傳感器網絡是伴隨著微電子、無線通信和嵌入式系統(tǒng)等技術的快速進步而發(fā)展的一種新型網絡。它能夠實時監(jiān)測、感知、采集和處理各種監(jiān)測對象的信息，是新興前沿科技研究熱點之一。本文針時地質災害環(huán)境監(jiān)測預警需求，通過利用無線傳感器及傳感網技術對山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害環(huán)境進行不同斷的高精度數(shù)據(jù)搜集，設計并實現(xiàn)了一個基于Nagios和Cacti平臺的無線傳感網網絡管理平臺。通過本文開發(fā)的監(jiān)測預警網絡管理平臺，可以有效地獲得監(jiān)測信息，并通過監(jiān)測預警機制來減少地質災害頻發(fā)地區(qū)的人員傷亡和經濟損失。
關鍵詞：無線傳感器；地質災害監(jiān)測預警；Nagios and Cacti；網絡管理平臺

    無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種全新的網絡化信息獲取與處理技術，具有動態(tài)自組網、無線多跳路由和多路徑數(shù)據(jù)傳輸功能。無線傳感器網絡是由分布在不同位置的具有數(shù)據(jù)采集及處理單元、通信模塊的無線傳感器節(jié)點構成的網絡，能夠對多個對象實施時間監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和控制。無線傳感器網絡可以感知、收集、分析、處理各種信息，包括溫度、濕度、地表信息等，同時結合數(shù)據(jù)融合技術處理信息，已經在軍事領域、農業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領域、醫(yī)療領域、工業(yè)監(jiān)控、智能交通等領域得到了廣泛的應用。
    突發(fā)性山體滑坡、崩塌、泥石流是我國最嚴重的幾種地質災害類型，因其發(fā)生時間短、隱蔽性強、破壞性大，造成重大人員傷亡和巨大經濟損失。目前為止，國內已經建立的用于監(jiān)測突發(fā)性滑坡、崩塌、泥石流的自然災害的網絡，由于受到復雜的地理條件、技術因素等影響，大多采用人工收集方式，導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)收集不及時，信息覆蓋不足的缺點，難以實時動態(tài)監(jiān)測滑坡泥石流地質災害并提供預警機制。本文通過建立基于Nagios和Cacti平臺的新的地質災害預警無線傳感網絡，進一步提升無線傳感網對自然災害的監(jiān)測預警能力，提高地質災害監(jiān)測覆蓋范圍和可靠性，從而減少人員傷亡和經濟損失。

1 智能無線傳感網的網絡管理體系結構
    無線傳感器網絡后臺管理軟件一般由3大部分組成，如圖1所示。無線傳感器網絡采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過傳輸網絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理平臺(遠程應用)，后臺管理平臺(遠程應用)對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，以得到無線傳感器網絡的相關信息，對無線傳感器網絡的運行和環(huán)境狀況進行監(jiān)測。此外，后臺管理平臺也可以發(fā)起任務并通過傳輸網絡告知無線傳感器節(jié)點，從而完成特定任務。

    整個地質災害無線傳感網絡監(jiān)測系統(tǒng)為3層的MESH網絡，由無線傳感器網絡層、網關層、以及TD—SCDMA和遠程監(jiān)控中心層(如圖2所示)。為了能夠得到有效及時的監(jiān)測信息，在監(jiān)測區(qū)域布置了采用ZigBee協(xié)議的傳感器節(jié)點，如雨量計、深部位移計、地表位移裂縫計、孔隙水壓計等，這些傳感器節(jié)點與中繼節(jié)點通過自組織的方式形成最底層的傳感器監(jiān)測網絡。網關層為匯聚網關層，使用WiFi進行數(shù)據(jù)的傳輸，該層包括ZigBee-WiFi網關、WiFi中繼節(jié)點、TD—SCDMA網關與大數(shù)據(jù)量的音視頻傳感器節(jié)點、GPS傳感器節(jié)點和地聲傳感器節(jié)點。遠程監(jiān)控中心采用TD—SCDMA網絡與地質災害監(jiān)測中心站進行數(shù)據(jù)交換。TD—SCDMA網絡具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸率高的特點。使用TD-SCDMA網絡可以基本滿足當前的監(jiān)測傳感器與多媒體數(shù)據(jù)的傳輸需求，并可以大大降低研發(fā)和部署成本。

2 地災監(jiān)測無線傳感網網絡管理系統(tǒng)技術方案
    用于監(jiān)測突發(fā)性山體滑坡、崩塌、泥石流的無線傳感網網絡管理平臺選擇基于Nagios和Cacti平臺進行二次開發(fā)。Nagios網絡監(jiān)控系統(tǒng)是基于Linux平臺開發(fā)的，采用分布一集中的管理方式，它可以通過代理或無代理的方式監(jiān)控Windows／Linux服務器、路由器和交換機、網關、傳感器等設備。Nagios服務器本身是沒有監(jiān)測機制的，它是通過插件來連接被監(jiān)控的主機，被監(jiān)控的主機通過Nagios客戶端把自己運行的狀況反饋給監(jiān)控端服務器，系統(tǒng)管理人員可以通過web界面查看設備的連接狀態(tài)，及時了解被監(jiān)控對象的運行狀態(tài)，當被監(jiān)控對象的監(jiān)控信息達到了一定的報警閾值時，Nagios也可以通過設定的通信方式(例如手機、短信、郵件等)給管理人員發(fā)送報警信息，及時通知管理人員處理報警信息。
    Cacti是一套基于開放式互聯(lián)網SNMP協(xié)議，運用php、mysql、snmp和rrdtool開發(fā)的網絡流量監(jiān)控工具，可生成對物理設備CPU、內存、端口流量的監(jiān)控圖，還可以通過自定義生成豐富的圖表，如防火墻的連接數(shù)、VPN連接數(shù)、設備環(huán)境溫度、UPS電壓變化等等。Cacti有豐富的插件庫，可以支持路由器、交換機、防火墻、服務器、存儲等等。針對地質災害監(jiān)測預警無線傳感網絡的需求，在ubuntu11．04平臺下對Nagi os和Cacti進行二次開發(fā)，將新研發(fā)的插件集成Nagios到Cacti框架，形成新的網絡管理平臺，用于監(jiān)測預警地質災害的無線傳感網絡。

3 Nagios系統(tǒng)平臺配置過程
    基于Nagios和Cacti的地質災害監(jiān)測預警無線傳感網絡系統(tǒng)是在ubuntu11．04平臺下安裝開發(fā)的，充分利用Nagios框架的通信插件，并集成到Cacti框架中，從而實現(xiàn)監(jiān)測整個地質災害無線傳感網絡的各類傳感器、網關等設備。
3．1 Nagios及插件的安裝
    Nagios在ubunm11．04系統(tǒng)上安裝。系統(tǒng)在安裝Nagios之前需要安裝net-snmp、net-snmp-devel、net-snmp-utils、apache2、libapache 2-mod-php5、build-essential、libgd2-xpm-dev等軟件。
   

3．2 Cacti的安裝
    Cacti安裝之前需要安裝pbp5、mysql、rrdtool等，由于nagios集成于Cacti為一體，通過二次開發(fā)，形成了一個新的地質災害監(jiān)測預警無線傳感網系統(tǒng)，在安裝Cacti之前，需要把Nagios的share文件信息整合到這個新的系統(tǒng)中。


4 地質災害預警無線傳感網監(jiān)測結果
    基于Nagios和Cacti的監(jiān)測系統(tǒng)主要通過Nagios插件來監(jiān)測所要被監(jiān)控的對象，由于地質災害監(jiān)測預警無線傳感網這整個網絡的傳感器及網關被移植了SNMP協(xié)議，并定義了新的MIB信息，Nagios監(jiān)測傳感器及網關的信息可以通過check_snmp插件進行監(jiān)控。例如，在編號為201的傳感器中擴充的OID信息1．3．6．1．4．1．8000．201．11．1．1．3．0，即傳感器工作的狀態(tài)信息，如圖4所示。

    通過創(chuàng)建新的配置文件sensor201．cfg，在文件中定義主機和服務信息。

    地質災害監(jiān)測預警無線傳感網絡系統(tǒng)通過配置通過snmpget采集數(shù)據(jù)，使用rrdtool繪制圖形，可以任意在其指定的時間段內畫圖，并提供強大的數(shù)據(jù)和用戶管理功能，通過對Cacti的配置，創(chuàng)建新的監(jiān)測對象，通過輸入對應的OID信息，通過snmpget獲取數(shù)據(jù)，產生新的監(jiān)測圖形。圖5所示是本機的監(jiān)測信息的展示圖形。

5 結束語
    地質災害監(jiān)測預警是我國目前需要大力發(fā)展的一個課題，利用無線傳感網絡技術，通過Nagios和Cacti的集成網絡管理，可以有效地監(jiān)控及時發(fā)現(xiàn)無線傳感網網絡設備的運行故障，同時監(jiān)測人員及時發(fā)現(xiàn)設備故障，有效地減少了系統(tǒng)管理人員實地考察的設備和服務運行狀態(tài)的時間、人員和財力等方面。Nagios和Cacti的系統(tǒng)在地質災害監(jiān)測預警項目實際應用中還存在一些不足，如：監(jiān)測狀態(tài)的顯示，重要信息的選擇等，這需要在以后的工作中系統(tǒng)管理人員進行改進。