基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

袁愛(ài)軍

摘 要：針對(duì)目前移動(dòng)通信卡實(shí)名制要求以及開(kāi)卡數(shù)量的限制，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸用通信卡造成的影響問(wèn)題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)采用物聯(lián)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案。首先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的含義和組織形式以及物聯(lián)卡的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，描述了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的方案。詳細(xì)介紹了地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端、無(wú)線傳輸端和監(jiān)控中心的功能設(shè)計(jì)方案，總結(jié)了地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理和功能。目前應(yīng)用物聯(lián)卡的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)服務(wù)于國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（河南、山東、河北）應(yīng)用當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)卡 地下水監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（a）-0085-02

由于我國(guó)的地下水資源不合理開(kāi)發(fā)利用，引發(fā)了例如滑坡、水質(zhì)污染等一系列地質(zhì)和環(huán)境問(wèn)題，而以往的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，又難以滿足各級(jí)政府科學(xué)管理地下水和為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供信息支撐的迫切需要。為了解決以上問(wèn)題，國(guó)家自2015年開(kāi)始啟動(dòng)了地下水監(jiān)測(cè)工程，希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全國(guó)地下水動(dòng)態(tài)的有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括對(duì)大型平原、盆地和巖溶區(qū)地下水的區(qū)域性監(jiān)控以及地下水監(jiān)測(cè)井的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為政府決策部門(mén)和社會(huì)提供及時(shí)的、準(zhǔn)確的、詳細(xì)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，滿足科學(xué)研究以及社會(huì)、公眾對(duì)地下水信息的需求，為合理配置以及科學(xué)的管理提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

通過(guò)多種傳感技術(shù)（RFID、傳感器、GPS等）和多種通信手段（有線、無(wú)線），將各種物體與互聯(lián)網(wǎng)相互連接，實(shí)現(xiàn)諸如遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)識(shí)別報(bào)警、信息維護(hù)等功能的一體化網(wǎng)絡(luò)[1]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組織形式

感知層的主要功能是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行物體識(shí)別以及信息數(shù)據(jù)的采集。主要包含傳感器件以及由這些傳感器件組成的傳感器感知網(wǎng)絡(luò)。在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，感知層采用S-WW-1地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地下水傳感器作為采集終端。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)感知層的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入并完成數(shù)據(jù)類信息的交互。在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用的是移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)專線，通過(guò)物流卡來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸方式。

應(yīng)用層主要完成信息的數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互的一系列問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層中傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)信息通過(guò)應(yīng)用層處理后以信息管理系統(tǒng)平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)人與感知層設(shè)備的信息交互。在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用Windows Server 2003作為系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，采用C#編程軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)，提供了監(jiān)測(cè)井的管理、維護(hù)、實(shí)時(shí)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)信息查詢、地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年表生成和設(shè)備電壓、維護(hù)報(bào)警等功能。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由S-WW-1地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和SMS數(shù)據(jù)傳輸部分以及多級(jí)多源監(jiān)測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)三部分組成，分別對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下所示。

2.1 感知層

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)地下水監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)地下水的水壓、水溫、水質(zhì)等信息進(jìn)行采集，通過(guò)MCS-51單芯片微控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按modubs協(xié)議傳輸至物聯(lián)卡通信設(shè)備上，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密處理后傳輸?shù)揭苿?dòng)物聯(lián)網(wǎng)專線。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)專線的主要功能是實(shí)現(xiàn)各個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)與多級(jí)多源設(shè)備管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而物聯(lián)卡的諸多優(yōu)勢(shì)，使其在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的發(fā)展前景巨大。該系統(tǒng)采用物聯(lián)卡的方式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定的傳輸。

物聯(lián)卡業(yè)務(wù)是由中國(guó)移動(dòng)面向物聯(lián)網(wǎng)專線用戶提供的采用物聯(lián)網(wǎng)專用號(hào)段實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)無(wú)線通信接入業(yè)務(wù)，提供短信和GPRS等基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，并提供專線通信狀態(tài)管理等智能管理服務(wù)，物聯(lián)卡默認(rèn)開(kāi)通物聯(lián)網(wǎng)專用短信接入服務(wù)號(hào)以及物聯(lián)網(wǎng)專用的APN。主要功能有：

（1）基礎(chǔ)通信能力：GPRS和短信數(shù)據(jù)通信功能，短信可根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)提供不同服務(wù)（重發(fā)頻次和儲(chǔ)存時(shí)間），充分滿足不同集團(tuán)客戶的業(yè)務(wù)需求。

（2）終端狀態(tài)查詢：向客戶提供諸如開(kāi)關(guān)機(jī)、終端位置、是否上線以及IP和APN類信息查詢。

（3）賬務(wù)信息查詢：向客戶提供物聯(lián)網(wǎng)賬戶信息的查詢，繳費(fèi)情況、流量是否超標(biāo)等賬務(wù)的信息查詢、提醒功能。

（4）業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)用戶物流網(wǎng)使用情況進(jìn)行多維度的數(shù)據(jù)分析，提供業(yè)務(wù)報(bào)表。

（5）靈活計(jì)費(fèi)方式：根據(jù)不同客戶需求提供多種計(jì)費(fèi)方式。[2]

2.3 應(yīng)用層

該層主要為多級(jí)多源設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中多級(jí)多源設(shè)備管理系統(tǒng)軟件以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，對(duì)用戶信息和數(shù)據(jù)源信息的管理則是通過(guò)SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以ADO.net的方式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)、修改和操作，采用B/S三層架構(gòu)，分別是表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAL），安全性高并且具有良好的擴(kuò)展性。功能結(jié)構(gòu)如下所示：

表示層：表示層通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層的類和對(duì)象為用戶提供了可視化的接口和界面，實(shí)現(xiàn)了水位、水溫、大氣壓曲線生成、監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)管理設(shè)置、地下水報(bào)表和設(shè)備低電壓報(bào)警等功能。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層用來(lái)存儲(chǔ)和修改監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中原始數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)配置參數(shù)。包括監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸處理的原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)參數(shù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)表以及歷史數(shù)據(jù)表等信息。

業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯層完成與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層之間的數(shù)據(jù)信息交互操作。主要通過(guò)監(jiān)控中心的服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理并將信息存儲(chǔ)于各類數(shù)據(jù)庫(kù)中。包括原始采集數(shù)據(jù)的解析、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)設(shè)備端報(bào)警控制等。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)類庫(kù)中的Connection、Dataset和DataReader類用以訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，并送往表示層以圖表等形式向用戶展現(xiàn)。

應(yīng)用層以“文件”、“管理”、“查詢”、“設(shè)置”四個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)信息、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，系統(tǒng)層次關(guān)系如圖1所示。

3 系統(tǒng)工作原理和主要功能

3.1 工作原理

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用全雙工的通信模式。地下水監(jiān)測(cè)探頭等采集設(shè)備通過(guò)MCS-51微處理芯片對(duì)采集后信號(hào)進(jìn)行A/D處理，將處理的數(shù)據(jù)按modubs協(xié)議編碼傳輸?shù)桨l(fā)射端的SMS通信模塊上，然后將數(shù)據(jù)包按一定的協(xié)議進(jìn)行打包封裝加密處理后傳輸至物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心的SMS接收模塊直接對(duì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)送往監(jiān)控中心端的多級(jí)多源設(shè)備管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3.2 主要功能

3.2.1 信息交互監(jiān)控模塊

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控中心的多級(jí)多源設(shè)備管理系統(tǒng)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息交互，監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)水位、水溫、氣壓、氣溫、監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)以及信號(hào)強(qiáng)度是否正常進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)SMS模塊將各種數(shù)據(jù)打包經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)送往監(jiān)控中心。監(jiān)控中心將發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)按照信息類型進(jìn)行區(qū)分并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表格中。監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示水位、水溫、大氣壓、氣溫以及pH值、溶解氧等數(shù)據(jù)曲線。

3.2.2 數(shù)據(jù)再處理模塊

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各地下水參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，繪制相關(guān)曲線圖，用來(lái)判斷相關(guān)地區(qū)地下水狀態(tài)的變化，為相關(guān)管理機(jī)構(gòu)和決策者提供參考幫助。

通過(guò)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)要素類數(shù)據(jù)信息以及監(jiān)測(cè)設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)能夠生成各種信息類報(bào)表，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的檔案化管理。

4 結(jié)語(yǔ)

該文應(yīng)用物聯(lián)卡實(shí)現(xiàn)了在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的地下水監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)利用C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)要素實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)信息的查詢、報(bào)表生成等功能。通過(guò)實(shí)際的地下水監(jiān)測(cè)應(yīng)用表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠、功能完善。

參考文獻(xiàn)

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[2] 高雅.中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)卡業(yè)務(wù)正式商用[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014（12）：9.

[3] 魏曉妹.地下水資源管理與保護(hù)[J].地下水，2013（2）：1-4.