水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng) 通信之后的新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。1998年，美國(guó) 麻省理工學(xué)院創(chuàng)造性地提出了當(dāng)時(shí)被稱作EPC系統(tǒng)的'物聯(lián)網(wǎng)” 構(gòu)想。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1998年由美國(guó)MIT大學(xué)的Kevin Ashton教授提出，把RFID技術(shù)與傳感器技術(shù)應(yīng)用于日常物 品中形成物聯(lián)網(wǎng)，著重的是物品的標(biāo)記。目前國(guó)際上對(duì)于物聯(lián) 網(wǎng)尚沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，比較廣泛的解釋是，把感應(yīng)器嵌 入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、 大壩、油氣管道等各種物體中并構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，然后將物聯(lián)網(wǎng) 與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。 在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群， 能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時(shí) 的管理和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)地管 理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力 水平，改善人與自然間的關(guān)系。在2010年我國(guó)的政府工作報(bào) 告所附的注釋中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有如下的說(shuō)明：物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信 息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)， 進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控 和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

1物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上 的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。但對(duì)比物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)還是有所不同， 主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

使用對(duì)象不同?；ヂ?lián)網(wǎng)解決的是人與人的信息溝通 問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)解決的是信息化的智能管理和決策控制問(wèn)題；

終端系統(tǒng)接入方式不同?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶通過(guò)端系統(tǒng)的 服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、筆記本和移動(dòng)終端訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)資源，物聯(lián) 網(wǎng)中的傳感器結(jié)點(diǎn)需要通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚結(jié)點(diǎn)接入 互聯(lián)網(wǎng)；

網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式不同。互聯(lián)網(wǎng)主要是實(shí)行 人與人之間的信息交互與共享，都是在人的控制之下完成的。 而物聯(lián)網(wǎng)的端系統(tǒng)采用的是傳感器、RFID，因此物聯(lián)網(wǎng)感知 的數(shù)據(jù)是傳感器主動(dòng)感知或者是RFID讀寫器自動(dòng)讀出的；

使用技術(shù)不同。互聯(lián)網(wǎng)主要依賴于有線通訊方式, 物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)種類包括無(wú)線技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能芯片技術(shù)、 軟件技術(shù)，幾乎涵蓋了信息通信技術(shù)的所有領(lǐng)域。

2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系由5部分組成，包括應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng) 絡(luò)層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)，其技術(shù)體系 如圖1所示。

圖1中，感知層用于實(shí)現(xiàn)物理世界中發(fā)生的物理事件和 數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻、視頻數(shù)據(jù)。 物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二 維碼和實(shí)時(shí)定位等技術(shù)。傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、 自組織網(wǎng)絡(luò)以及多個(gè)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過(guò)程；

網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)能夠把感知到的信息無(wú)障礙、高可靠性、高 安全性地進(jìn)行傳送，需要傳感網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)相融合；

應(yīng)用層技術(shù)主要包含應(yīng)用支撐和應(yīng)用服務(wù)層技術(shù)。其中 應(yīng)用支撐層技術(shù)用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息 協(xié)同、共享、互通的功能，包括云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù) 和智能信號(hào)處理技術(shù)；

公共技術(shù)不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某個(gè)特定層面，而是與物圖1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框架圖聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的三層都有關(guān)系，它包括標(biāo)識(shí)與解析、安全技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)質(zhì)量管理；

支撐技術(shù)是和物聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)的其他領(lǐng)域的技術(shù)，包括 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、功率與能量存儲(chǔ)技術(shù)等。

3水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

3.1水務(wù)監(jiān)測(cè)對(duì)象及監(jiān)測(cè)參量

2010年全國(guó)開(kāi)展了第一次水利普查工作，普查任務(wù)包括 8個(gè)專項(xiàng)北京水務(wù)增加了 2個(gè)專項(xiàng)）,普查對(duì)象包括10個(gè)方面, 即河湖、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水、河湖開(kāi)發(fā)治理保護(hù)、水土 保持、水利行業(yè)能力、灌區(qū)、地下水取水井、供水工程、排水 工程，這10個(gè)專項(xiàng)涵蓋了所有水利設(shè)施。通過(guò)梳理分析這些 水利設(shè)施得到水務(wù)監(jiān)測(cè)對(duì)象主要包括12類分別為水文站、水 位站、雨量站、水庫(kù)、引調(diào)水、橡膠壩、取水口水源地、自 備井、泵站、水閘、排污口，與之對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)參量主要有水位、 水質(zhì)、降雨、流量、取水量、用水量、供水量、排污量、壓力、 發(fā)電量、蒸發(fā)、泥沙、水深等。這些監(jiān)測(cè)對(duì)象有些是需要采集 單一監(jiān)測(cè)參量，如單一雨量站、地下水源等，有些是需采集多 種監(jiān)測(cè)參量，如水庫(kù)水閘、泵站引調(diào)水、橡膠壩等，各類監(jiān) 測(cè)參量的采集信號(hào)接口也不盡相同，有開(kāi)關(guān)量、模擬量、串口等。 3.2水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

水務(wù)信息采集是水利信息化和自動(dòng)化建設(shè)的重要組成部 分，從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始水利人就開(kāi)始從事水務(wù)信息采集領(lǐng) 域的相關(guān)工作，運(yùn)用傳感技術(shù)、無(wú)線電通信技術(shù)、電子技術(shù) 以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水利信息的實(shí)時(shí)采集與接收，中 心能夠自動(dòng)接收各個(gè)測(cè)站上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以下發(fā)指令獲取 所需的數(shù)據(jù)，為防汛調(diào)度、水資源管理提供第一手的信息支撐。 水利信息采集中的核心設(shè)備是信息采集終端，從上個(gè)世紀(jì)八十 年代，水利信息采集終端就開(kāi)始應(yīng)用在水利測(cè)站的各個(gè)站點(diǎn)， 在水務(wù)信息化的發(fā)展中發(fā)揮了積極的作 用，為水務(wù)的管理提供了數(shù)據(jù)支撐。隨 著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)和水務(wù)精細(xì)化管理 對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，有必 要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)適合新形勢(shì)下水 務(wù)發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，該設(shè)備既具 有物聯(lián)網(wǎng)的典型技術(shù)特征，又滿足水務(wù) 業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方 面：

（1）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端并不是全 新的產(chǎn)品，它是已有的水利信息采集終 端的升級(jí)優(yōu)化，具有小型化、低功耗、 低成本、綠色環(huán)保等特點(diǎn)；

（2）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有唯一 的編碼標(biāo)識(shí)，能夠入網(wǎng)自動(dòng)識(shí)別，遠(yuǎn)程進(jìn)行管理和監(jiān)控；

（3）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是“智能”和“智慧”理念的具 體體現(xiàn)。通過(guò)一定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)接入，達(dá) 到遠(yuǎn)程識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理等目的；

（4）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端也是“與時(shí)俱進(jìn)”的。隨著物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其也是在不斷優(yōu)化升級(jí)的。當(dāng)前處于初級(jí)階 段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)會(huì)逐步攻克, 標(biāo)準(zhǔn)體系會(huì)逐漸完善，感知終端的功能和性能也會(huì)不斷優(yōu)化、 升級(jí)。

4水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)框架與實(shí)現(xiàn)

4.1總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)水務(wù)信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù) 體系，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)由4個(gè)層面構(gòu)成, 即傳感層、采集感知層、數(shù)據(jù)匯集層和應(yīng)用配置層，總體技 術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2中的傳感層主要用于對(duì)各類傳感器實(shí)現(xiàn)事件和數(shù)據(jù) 的采集和感知，包括各類與水文、水利設(shè)施運(yùn)行密切相關(guān)的 監(jiān)測(cè)量，如水位、雨量、流量等，還有與水務(wù)管理相關(guān)的信 息，如標(biāo)識(shí)、音視頻數(shù)據(jù)等。傳感層中的核心設(shè)備是傳感器, 它既可以是簡(jiǎn)單的物理量轉(zhuǎn)為電信號(hào)的變送器，也可以是具有 數(shù)據(jù)分析處理功能的智能傳感器。

采集感知層是通過(guò)智能感知終端采集傳感層的數(shù)據(jù)，并 按照統(tǒng)一的協(xié)議實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信與發(fā)送。采集感知層的 核心設(shè)備是智能感知終端，它能夠采集多種類型的傳感器數(shù) 據(jù)，具備唯一的標(biāo)識(shí)碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動(dòng)識(shí)別，按 照統(tǒng)一的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與前置服務(wù)器的通信與數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)匯集層是通過(guò)數(shù)據(jù)接收設(shè)備來(lái)解析接收采集的傳感 器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入庫(kù)。數(shù)據(jù)匯集層的核心設(shè)備是數(shù)據(jù)接收設(shè)備，為區(qū)別于應(yīng)用系統(tǒng)我們姑且稱其為數(shù)據(jù)前置接收服 務(wù)器，它與智能感知相匹配，按照統(tǒng)一的協(xié)議解析接收一個(gè) 或多個(gè)感知終端傳送的數(shù)據(jù)，多個(gè)前置接收服務(wù)器部署到不 同的物理地點(diǎn)，一旦形成規(guī)?？梢源罱ɑA(chǔ)設(shè)施池，可以按 照云理念（服務(wù)器云）加以管理提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（lass）,保 障數(shù)據(jù)匯集層的健壯和安全，各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用單位可以根據(jù)自 身業(yè)務(wù)所需從前置服務(wù)器上索取采集的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用配置層是配置管理平臺(tái)，它一方面要對(duì)所有的智能 感知終端和前置接收服務(wù)器進(jìn)行配置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等管理，對(duì) 服務(wù)器云進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度和分配；另一方面要對(duì)用戶提 供查詢、數(shù)據(jù)提取等服務(wù)功能，各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用單位能夠按照 一定的應(yīng)用協(xié)議從服務(wù)器云上查詢、獲取所需的采集數(shù)據(jù)。

4.2應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在總體架構(gòu)下，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有更強(qiáng)的兼容性 和擴(kuò)展性，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端可以 與傳統(tǒng)的水文遙測(cè)儀并行，按照統(tǒng)一的協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳 至云服務(wù)器群，同時(shí)它具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過(guò)有線或無(wú)線近 距離通信獲取水文遙測(cè)儀的數(shù)據(jù)，將水文遙測(cè)儀采集的數(shù)據(jù) 上傳至云服務(wù)器群。智能感知終端還具有水文遙測(cè)儀的已有接 口和功能，可采集開(kāi)關(guān)量、模擬量、RS232/485等接口類型傳 感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)上傳。未來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展， 小型化、低功耗的智能傳感器會(huì)投入使用，物聯(lián)網(wǎng)感知終端 留有接口可以通過(guò)無(wú)線的方式采集智能傳感器的數(shù)據(jù)并上傳, 同時(shí)視頻圖像也可以利用感知終端將水務(wù)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)的畫面上傳 至服務(wù)器群，供用戶調(diào)用查看。

4.3技術(shù)路線

水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端服務(wù)于水務(wù)管理實(shí)時(shí)信息的采集, 其主要功能和性能需要貼合水務(wù)管理的實(shí)際需要，同時(shí)對(duì)于 不同的水務(wù)采集對(duì)象又具有不同的個(gè)性化需求，因此水務(wù)物 聯(lián)網(wǎng)感知終端是一套系列產(chǎn)品，既具有通用的功能和標(biāo)準(zhǔn)接 口，也有不同場(chǎng)合不同監(jiān)測(cè)對(duì)象個(gè)性化的要求。根據(jù)這些需求, 研發(fā)技術(shù)路線從三方面加以考慮：

一是采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，終端的硬件核心主板考慮 通用功能和性能，底板考慮各種應(yīng)用場(chǎng)合的不同接口，以適應(yīng) 不同傳感器和不同傳輸模式;終端內(nèi)的應(yīng)用軟件采用模塊編程, 通過(guò)模塊的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同需求下終端采集的功能；

二是硬件核心選用工業(yè)級(jí)的ARM芯片，選型上充分考 慮存儲(chǔ)、低功耗、CPU運(yùn)行速率等重要性能指標(biāo)，同時(shí)兼顧 終端擴(kuò)展性，充分考慮未來(lái)產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)；

三是電源設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一的電源管理思路，在電路設(shè)計(jì)上 實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的電源可控，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

4.4技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)，以市場(chǎng)主流的ARM為核心 CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、 RTC、WTD、電源管理等模塊，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、 復(fù)位、電源管理等功能。核心板之外擴(kuò)展接口底板，配置數(shù)字 量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、串行RS485/232、通信模塊、 固態(tài)存儲(chǔ)、自動(dòng)校時(shí)、LED狀態(tài)顯示等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)下采集 傳感器，對(duì)上傳輸采集數(shù)據(jù)的功能。

軟件平臺(tái)采用Linux操作系統(tǒng)，根據(jù)感知終端的主要功 能和對(duì)外接口，對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的輸入、輸 出、通信接口等驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)按照水利行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范 和終端的工作流程及工作模式，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，中心開(kāi) 發(fā)向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程配置等功能。

5結(jié)語(yǔ)

面臨第三次信息革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將越來(lái)越多地應(yīng)用到 各個(gè)行業(yè)，走進(jìn)千家萬(wàn)戶。本文從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，分析了 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，給出了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層 技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)的技術(shù)體系。立足于水務(wù)領(lǐng)域，梳理了水務(wù)監(jiān)測(cè)對(duì)象及其監(jiān)測(cè)參量，分析了水務(wù) 物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，設(shè)計(jì)了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總 體技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，給出了終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線和軟 硬件的實(shí)現(xiàn)路徑。

20211120_6198c5fcc9762__水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制