基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)的設計

袁愛軍

摘 要：針對目前移動通信卡實名制要求以及開卡數(shù)量的限制，對地下水監(jiān)測系統(tǒng)傳輸用通信卡造成的影響問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)采用物聯(lián)卡來實現(xiàn)地下水監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O計方案。首先對物聯(lián)網(wǎng)的含義和組織形式以及物聯(lián)卡的特點進行了介紹，描述了系統(tǒng)整體設計的方案。詳細介紹了地下水監(jiān)測系統(tǒng)的遠程監(jiān)測終端、無線傳輸端和監(jiān)控中心的功能設計方案，總結(jié)了地下水監(jiān)測系統(tǒng)工作原理和功能。目前應用物聯(lián)卡的地下水監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)服務于國家地下水監(jiān)測工程（河南、山東、河北）應用當中。

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

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0085-02

由于我國的地下水資源不合理開發(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)境問題，而以往的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，又難以滿足各級政府科學管理地下水和為社會經(jīng)濟發(fā)展提供信息支撐的迫切需要。為了解決以上問題，國家自2015年開始啟動了地下水監(jiān)測工程，希望能夠?qū)崿F(xiàn)對全國地下水動態(tài)的有效實時監(jiān)測，包括對大型平原、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)測井的實時監(jiān)控，為政府決策部門和社會提供及時的、準確的、詳細的地下水動態(tài)監(jiān)測信息，滿足科學研究以及社會、公眾對地下水信息的需求，為合理配置以及科學的管理提供更加優(yōu)質(zhì)的服務。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

通過多種傳感技術(shù)（RFID、傳感器、GPS等）和多種通信手段（有線、無線），將各種物體與互聯(lián)網(wǎng)相互連接，實現(xiàn)諸如遠程監(jiān)控、自動識別報警、信息維護等功能的一體化網(wǎng)絡[1]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組織形式

感知層的主要功能是通過物聯(lián)網(wǎng)進行物體識別以及信息數(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。在地下水監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層采用S-WW-1地下水監(jiān)測系統(tǒng)的地下水傳感器作為采集終端。

網(wǎng)絡層的主要功能是實現(xiàn)感知層的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接入并完成數(shù)據(jù)類信息的交互。在地下水監(jiān)測系統(tǒng)中采用的是移動物聯(lián)網(wǎng)絡專線，通過物流卡來實現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸方式。

應用層主要完成信息的數(shù)據(jù)處理與人機交互的一系列問題。網(wǎng)絡層中傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)信息通過應用層處理后以信息管理系統(tǒng)平臺的方式實現(xiàn)人與感知層設備的信息交互。在地下水監(jiān)測系統(tǒng)中應用Windows Server 2003作為系統(tǒng)應用平臺，采用C#編程軟件設計了監(jiān)測設備管理系統(tǒng)，提供了監(jiān)測井的管理、維護、實時地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)信息查詢、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)年表生成和設備電壓、維護報警等功能。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由S-WW-1地下水監(jiān)測系統(tǒng)的遠程監(jiān)控終端和SMS數(shù)據(jù)傳輸部分以及多級多源監(jiān)測設備管理系統(tǒng)三部分組成，分別對應物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層以及應用層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下所示。

2.1 感知層

數(shù)據(jù)采集主要通過地下水監(jiān)測傳感器，對地下水的水壓、水溫、水質(zhì)等信息進行采集，通過MCS-51單芯片微控制器對采集的信號進行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)卡通信設備上，數(shù)據(jù)經(jīng)過加密處理后傳輸?shù)揭苿游锫?lián)網(wǎng)專線。

2.2 網(wǎng)絡層

移動物聯(lián)網(wǎng)專線的主要功能是實現(xiàn)各個地下水監(jiān)測點與多級多源設備管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。近年來物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸方面的應用越來越廣泛。而物聯(lián)卡的諸多優(yōu)勢，使其在地下水監(jiān)測系統(tǒng)上的發(fā)展前景巨大。該系統(tǒng)采用物聯(lián)卡的方式，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定的傳輸。

物聯(lián)卡業(yè)務是由中國移動面向物聯(lián)網(wǎng)專線用戶提供的采用物聯(lián)網(wǎng)專用號段實現(xiàn)的移動無線通信接入業(yè)務，提供短信和GPRS等基礎的數(shù)據(jù)通信服務，并提供專線通信狀態(tài)管理等智能管理服務，物聯(lián)卡默認開通物聯(lián)網(wǎng)專用短信接入服務號以及物聯(lián)網(wǎng)專用的APN。主要功能有：

（1）基礎通信能力：GPRS和短信數(shù)據(jù)通信功能，短信可根據(jù)不同優(yōu)先級提供不同服務（重發(fā)頻次和儲存時間），充分滿足不同集團客戶的業(yè)務需求。

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

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

（4）業(yè)務統(tǒng)計分析：根據(jù)用戶物流網(wǎng)使用情況進行多維度的數(shù)據(jù)分析，提供業(yè)務報表。

（5）靈活計費方式：根據(jù)不同客戶需求提供多種計費方式。[2]

2.3 應用層

該層主要為多級多源設備管理系統(tǒng)的設計。在該系統(tǒng)中多級多源設備管理系統(tǒng)軟件以C#為開發(fā)語言，對用戶信息和數(shù)據(jù)源信息的管理則是通過SQLserver數(shù)據(jù)庫進行存儲，以ADO.net的方式對數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)訪問、修改和操作，采用B/S三層架構(gòu)，分別是表示層（UI）、業(yè)務邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL），安全性高并且具有良好的擴展性。功能結(jié)構(gòu)如下所示：

表示層：表示層通過業(yè)務邏輯層的類和對象為用戶提供了可視化的接口和界面，實現(xiàn)了水位、水溫、大氣壓曲線生成、監(jiān)測設備參數(shù)管理設置、地下水報表和設備低電壓報警等功能。

數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層用來存儲和修改監(jiān)測系統(tǒng)中原始數(shù)據(jù)和基礎配置參數(shù)。包括監(jiān)測設備實時傳輸處理的原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫基礎參數(shù)和當前數(shù)據(jù)表以及歷史數(shù)據(jù)表等信息。

業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯層完成與數(shù)據(jù)訪問層之間的數(shù)據(jù)信息交互操作。主要通過監(jiān)控中心的服務器完成數(shù)據(jù)處理并將信息存儲于各類數(shù)據(jù)庫中。包括原始采集數(shù)據(jù)的解析、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測設備端報警控制等。通過數(shù)據(jù)庫類庫中的Connection、Dataset和DataReader類用以訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并送往表示層以圖表等形式向用戶展現(xiàn)。

應用層以“文件”、“管理”、“查詢”、“設置”四個功能模塊實現(xiàn)監(jiān)測設備、監(jiān)測信息、報表統(tǒng)計等功能，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)測探頭等采集設備通過MCS-51微處理芯片對采集后信號進行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)議進行打包封裝加密處理后傳輸至物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡。監(jiān)控中心的SMS接收模塊直接對物聯(lián)網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行解析，將解析后的數(shù)據(jù)送往監(jiān)控中心端的多級多源設備管理平臺，從而實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。

3.2 主要功能

3.2.1 信息交互監(jiān)控模塊

地下水監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)控中心的多級多源設備管理系統(tǒng)與各監(jiān)測點實現(xiàn)信息交互，監(jiān)測點對水位、水溫、氣壓、氣溫、監(jiān)測設備工作狀態(tài)以及信號強度是否正常進行監(jiān)測，通過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)來的數(shù)據(jù)按照信息類型進行區(qū)分并儲存在數(shù)據(jù)庫對應表格中。監(jiān)控中心實時顯示水位、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

通過對數(shù)據(jù)庫中各地下水參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，繪制相關(guān)曲線圖，用來判斷相關(guān)地區(qū)地下水狀態(tài)的變化，為相關(guān)管理機構(gòu)和決策者提供參考幫助。

通過對地下水監(jiān)測要素類數(shù)據(jù)信息以及監(jiān)測設備信息的統(tǒng)計能夠生成各種信息類報表，實現(xiàn)監(jiān)測信息的檔案化管理。

4 結(jié)語

該文應用物聯(lián)卡實現(xiàn)了在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的地下水監(jiān)測，系統(tǒng)利用C#技術(shù)實現(xiàn)物聯(lián)傳輸網(wǎng)絡的組建，對地下水監(jiān)測要素實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)信息的查詢、報表生成等功能。通過實際的地下水監(jiān)測應用表明該系統(tǒng)設計可靠、功能完善。

參考文獻

[1] 程甜華.基于WSN的水資源實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].南昌大學，2013.

[2] 高雅.中國移動物聯(lián)卡業(yè)務正式商用[J].電信工程技術(shù)與標準化，2014（12）：9.

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