基于物聯網的水文監(jiān)測系統(tǒng)設計

引言

我國作為一個水資源缺乏的國家，水資源應該得到充分合理的利用，水文參數監(jiān)測是水資源合理利用的基礎，水域水文參數資料涉及到我國的核心經濟利益。相比于國外的水文監(jiān)測工作而言，國內水文監(jiān)測還處于起步階段。目前的水文監(jiān)測工作還是采用比較原始的工作方式，即人工采樣,采用手持便攜式監(jiān)測儀或實驗室分析。這種工作方式存在采樣頻率低、無法實時監(jiān)控、不能反映水體水質參數的連續(xù)動態(tài)變化等缺點。同時，由于水文參數監(jiān)測（如溶解氧、PH值等）往往存在分布范圍廣、不易到達、取樣時間不固定、取樣困難等特點，采用現有人工取樣、有線或者無線組網等方式組成測試系統(tǒng)通常都會存在施工困難，維護保障不容易，以及升級困難等弱點。

隨著網絡技術和通信技術的快速發(fā)展，物聯網技術由于其短距離傳輸、低復雜度、低功耗、自組網等特點，被廣泛應用在工業(yè)控制環(huán)境檢測與預報、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、醫(yī)療護理、智能家居、空間探索以及軍事等領域。物聯網終端節(jié)點成本低廉，可以很方便地實現不同水域部署，并能保證數據采集的廣度和精度，可為大范圍水文資料監(jiān)測提供數據基礎［%為此,針對水文參數總體及局部監(jiān)測的需求，本文提出了以水文參數檢測傳感器作為終端測試節(jié)點，以物聯網技術作為通信平臺,并以Linux系統(tǒng)作為軟件基礎平臺來構建水文參數監(jiān)測系統(tǒng),從而實現對區(qū)域水文參數的遠程實時檢測。

1硬件監(jiān)測平臺構建

基于物聯網技術的水文參數監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構主要包括水文參數終端節(jié)點（水溫測試、溶解氧測試等）、網關路由節(jié)點（中心網關、邊緣網關）、遠程中心監(jiān)控節(jié)點等三個主要部分,每種節(jié)點完成不同的功能。基于物聯網技術的水文參數監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)水文參數監(jiān)測系統(tǒng)的不同，主要表現在新的水文監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點的電源管理、網絡路由算法、網絡通信

協議以及中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)的不同?；谖锫摼W技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)結合了最新網絡技術和水文參數監(jiān)測技術，通信工作頻段兼顧了中國和國際標準，主要包括780MHz（中國）/2.4GHz（國際）,其實際硬件拓撲圖如圖1所示。

在基于物聯網的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點由許多功能相同或不同的水文監(jiān)測傳感器節(jié)點組成，水文監(jiān)測傳感器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的硬件基礎，可用于實現多種水文參數的檢測。目前的系統(tǒng)設計中包括水溫（Campbell公司的109溫度傳感器）、水位（壓力式水位傳感器）、PH值（CS525）、溶解氧（Hamilton公司的243111-OXYGOLDGARC225溶解氧傳感器），并預留了其它水文參數測試的軟硬件終端接口，如流速、渾濁度等參數。終端節(jié)點通過傳感器可將水文參數轉變?yōu)閿祿{制信號，然后對射頻信號進行調制，并產生已調信號，然后將已調信號通過終端節(jié)點的天線發(fā)送到網關節(jié)點進行數據的融合和匯聚。

每一個水文監(jiān)測終端節(jié)點都包含數據采集模塊（傳感器，在本系統(tǒng)設計中主要指水溫、水位、PH值、溶解氧傳感器）、數據處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和供電模塊，主要設計要求是低功耗，高可靠性，具有自組網功能。由于終端節(jié)點體積小，因而電源容量也非常有限，從而在設計中必須充分考慮到節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化技術，提高單位節(jié)點的工作時間，節(jié)省節(jié)點的能耗以及采用合理的網絡協議。在設計中綜合考量終端節(jié)點的可靠性、經濟成本等多方面因素，終端節(jié)點可采用Chipcon公司的CC2430芯片作為控制核心，該芯片以IEEE802.15.4協議為基礎，整合了射頻（RF）前端、內存和微控制器[5],在本系統(tǒng)中可分別對水溫、水位、PH值、溶解氧等水文參數傳感器進行控制，并最終實現參數測試。同時，也可以根據需要進行其他參數測試，所需要的工作只是加入不同的水文參數測試終端節(jié)點而已。

網關路由節(jié)點用于實現整個水文監(jiān)測物聯網區(qū)域子網段的自協調組網以及信息處理。在水文監(jiān)測物聯網建立過程中,因具體應用環(huán)境不同，其工作測試的重點也不同，故對不同的子網段，需要單獨進行設置。首先應由各個網關節(jié)點初始化該段子網，以避免各個終端節(jié)點之間的相互干擾，以及與其他工作相同頻道設備間的信號干擾。網關節(jié)點通過給每個終端節(jié)點網絡指定不同的物理地址來區(qū)分不同節(jié)點，當整個網絡應用后,網關節(jié)點會定時發(fā)送查詢命令，在發(fā)現新的網絡節(jié)點后，系統(tǒng)會自動加入網絡節(jié)點列表，同時發(fā)送新的路由表。

除具有自組網特點外，網關節(jié)點還負責第一步的信息分析及處理，并將處理后的數據存儲到嵌入式數據庫以備查詢。網關節(jié)點通常個數有限，一般對功耗要求不嚴格，可以采用多種通信方式與其他網絡節(jié)點進行通信（如Internet、衛(wèi)星或移動通信網絡等）。在水文監(jiān)測物聯網系統(tǒng)中采用星型拓撲設計,可以在一個較大的水域范圍內設置中心網關路由節(jié)點，以分別實現對邊緣網關節(jié)點的水文數據包信號的中繼和轉發(fā)間。

遠程中心監(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，并根據分析結果提出不同的合理化建議，主要完成數據的存儲與處理、數據的可視化、物聯網的管理功能。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器。

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

（1）遠程監(jiān)控中心發(fā)出控制指令，通過網關節(jié)點，啟動激活終端傳感器節(jié)點進行水文參數檢測。

（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，則啟動傳感器進行水文參數采集，并將最終采集到的數據傳送給節(jié)點處理器。節(jié)點主處理器捕獲到測量數據后，再進行相關數據的分析、融合，并將水文數據打包成符合6LoWPAN協議標準的數據幀,然后加入包頭、節(jié)點編號等信息后送到射頻模塊進行數據的發(fā)射，同時也可在該節(jié)點實現其他節(jié)點的路由轉發(fā)。

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

2軟件系統(tǒng)集成及設計

水文監(jiān)測系統(tǒng)的管理功能比較復雜，任務多樣，需要監(jiān)測的水文參數種類多，僅目前就包括水溫、水位、PH值等參數測試，而且為了今后的拓展，還必須為今后其他水文參數測試預留軟件接口。同時，水文參數測試結果的通信方式的種類差異也較大，軟件設計涉及大量的網絡通信程序設計以及數據庫設計管理工作。為便于不同模塊的接口，軟件設計整體應采用一致性、模塊化設計。所有節(jié)點開發(fā)和應用平臺可選用Linux操作系統(tǒng)，因為Linux系統(tǒng)成熟穩(wěn)定、源代碼開放,尤其在網絡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)，網關節(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。

2.1終端節(jié)點的軟件設計

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)點以及物聯網組網的特殊性，其通信協議不可能采用完整的IP協議棧，而必須采用修改后能適用本系統(tǒng)的網絡協議棧來實現報文的分片和重組、報頭壓縮和地址自動配置、組播和安全。協議棧數據幀格式符合IEEE802.15.4,其水文參數測試協議幀格式如圖2所示，其中MAC負載部分包括上層協議幀控制信息、水文參數、傳感器節(jié)點號等信息。

圖2水文參數測試協議幀格式

作為終端節(jié)點，軟件節(jié)能設計是其中的一個重要考慮。為了避免節(jié)點頻繁進入暫停工作等待充電的工作模式，減少無用數據的采集和傳輸，傳感器節(jié)點采用基于閾值的工作方式：當監(jiān)測數據的大小在報告閾值以內時，不予發(fā)送，當監(jiān)測數據的大小超過報告閾值而在告警閾值以內時，以較長的周期循環(huán)報告實時數據；當監(jiān)測數據的大小超過告警閾值時，以較短的周期循環(huán)報告實時數據。這樣的工作方式既保證了關鍵實時數據的可靠獲取，又減少了頻繁發(fā)送無用數據的能量消耗。2.2水文監(jiān)控中心軟件設計

水文監(jiān)控中心應用軟件的設計目標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)交互能力相適應的界面，還需要提供對水文參數進行歸納、綜合分析等功能的實現模塊以及與底層交互的通訊模塊。

基于設計目標的要求，其監(jiān)控中心的軟件平臺設計采用B/S架構，應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嵌入上層直接調用底層庫函數，也可以把核心平臺單獨作為一個獨立的進程，二者之間通過操作系統(tǒng)提供的進程間的管道機制實現通信。監(jiān)控中心應用程序通過核心平臺實現對水文監(jiān)測網絡的管理，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)點轉發(fā)來的水文采樣數據之后，可將數據存儲于后臺數據庫中，同時提供用戶界面對水文參數進行分析處理，并采用圖形方式進行顯示，最終根據分析結果進行視覺或聲響告警。系統(tǒng)應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),存儲數據庫則采用ORACLE大型關系數據庫o

通過文件功能模塊可以實現對數據的存儲、調取以及打印等功能，也可以保存設置應用程序工作環(huán)境參數等功能，同時可實現對數據的永久性存儲，以便于后期數據的綜合化處理。

配置功能模塊采用圖形化的方式實現對系統(tǒng)節(jié)點、整個系統(tǒng)的網絡路由以及終端傳感器的參數設置，從而達到對整個水文監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件配置，包括應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，主要包括水文數據的分析、歸類、比較、模型建立、數據歸一化處理以及對數據曲線進行描繪和顯示等功能。大致的功能包括下列4個方面：

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

以時間坐標為基軸，將所有終端節(jié)點的歷史或實時數據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水文參數的變化情況，進而結合其他監(jiān)測信息分析發(fā)生的原因，完善預警機制；

基于節(jié)點標識的展示，對所有節(jié)點按網絡內的標識大小進行整體的實時數據和節(jié)點狀態(tài)顯示，以便監(jiān)測者抽取導出監(jiān)測數據，同時觀察節(jié)點異常狀態(tài)，對整個網絡系統(tǒng)進行及時有效地維護；

建立水文參數模型，構建參數預測模型，建立專家系統(tǒng)，提供領導決策科學依據。

告警功能模塊可實現對水文參數的異常情況的報警，主要實現異常節(jié)點的快速定位、進行聲光報警提示以及按照設定策略進行異常處理。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，通過揚聲器發(fā)出告警提示聲音図。其軟件整體結構如圖3所示。

3系統(tǒng)評估

在基于物聯網技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)中，由于大量水文采樣終端節(jié)點被部署于不同的水文區(qū)域，各個終端節(jié)點間以無線自組織方式構成網絡，通信方式采用的是無線通信。由于無線信號傳輸存在由反射、衍射所引起的多徑效應，加上節(jié)點所處環(huán)境復雜，因而導致網絡通信質量受到嚴重影響，網絡節(jié)點間通信存在較大的不穩(wěn)定性。這種情況有可能導致整個水文監(jiān)測系統(tǒng)無法穩(wěn)定的工作，采集到的水文數據不能及時、準確地傳輸給監(jiān)控中心進行分析決策網。

因此，在系統(tǒng)成功組建后，為了保證整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行，還需要對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行評估，主要包括對終端水文采樣模塊物理性能的評估、網絡物理層參數的評估、數據鏈路層參數評估、網絡層參數評估、監(jiān)控中心分析軟件的性能評估等，并依據評估的結果采取相關策略。

圖3水文監(jiān)控中心軟件整體框

國內外對基于物聯網系統(tǒng)的項目在評估方面進行了大量研究，并取得了很好的應用效果。評估方法主要包括基于通信鏈路特性的評估方法、基于測試參數的評估方法、結合多因素的綜合評估方法等，這些評估測量手段都值得進行借鑒和參考。具體到本項目的系統(tǒng)評估，則包括對終端節(jié)點的射頻參數測試評估、采樣水文參數精度和可靠性評估以及整個網絡的通信質量和網絡生命周期的評估。只有整個網絡都達到了設計的預期目標，系統(tǒng)所測試的水文參數才是真實和可靠的,才能用于實際的工程中。

4結語

基于物聯網技術的水文監(jiān)測系統(tǒng)組網靈活,物理限制條件寬松，能夠很容易地實現水文參數測試布網，在本項目中可以很方便地實現對水溫、PH值、水位、溶解氧等參數的測試,也可以很方便地通過增加網絡終端節(jié)點而不用改變系統(tǒng)總體結構來滿足對某一寬廣水域(如河流的河段、湖泊、水庫海水養(yǎng)殖水域等)的水文進行在線實時監(jiān)測。通過航空布網，也可以實現對某些人員不易到達的區(qū)域進行物聯網構建，從而達到對水文情況進行實行遠程監(jiān)測。這一點對于減災監(jiān)測方面,尤其具有重要的作用。

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