基于4G網絡的水質監測分布式數據傳輸架構研究

喻紀文+賈露+李青+朱曉輝

摘 要：為對水環境進行實時監測，及時發現水體污染事件， 全面掌握監測區域水質動態變化情況，基于4G網絡設計并實現了分布式水環境實時監測系統。系統采用分布式數據傳輸架構，解決了集中式模型單點損壞影響其它監測點數據傳輸的缺點。測試結果表明，系統具有很好的穩定性和較高的數據傳輸并發性。

關鍵詞：4G網絡；水質監測；分布式數據傳輸

DOIDOI：10.11907/rjdk.172311

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0168-04

0 引言

當前水體污染情況相當嚴峻，受污染的水源若直接飲用或處理措施不當，可能對人體產生不可挽回的損害[1]。為有效開展水資源保護與治理水污染，我國實施了建國以來投資最大的水專項計劃。在2006-2020年期間計劃投資300多億，實現“控源減排”、“減負修復”和“綜合調控”三大階段性目標[2，3]，其中水環境監控與預警關鍵技術研究是水專項的一個重要內容。

早期采取人工采樣、實驗室分析方式，僅限于對河流、湖泊的幾個斷面采樣，采樣頻率從每月數次到每日數次。人工方式存在效率低、缺失時效性、耗時耗力且不能夠大規模測量等缺點，不能很好地反映水環境的連續動態變化，也不易及早發現污染源并預警[4-6]。

隨著無線網絡的發展，ZigBee技術得到了大規模應用。夏伯鍇等[7]指出，ZigBee技術是一種距離短、復雜度低、低功耗、低速率的雙向無線通訊技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸。而大區域范圍內水質監測，要求通信技術具備傳輸距離遠、速度快，ZigBee技術難于滿足需要。4G網絡數據傳輸速度可以達到10Mbps～20Mbps，甚至達到100Mbps，具有通信靈活、智能性強、通信速度快、增值服務優等特點[8]，適用于大區域范圍內的數據通信。因此，本系統采用4G網絡進行數據傳輸。

分布式系統可以提高系統的穩定性[9]。分布式數據傳輸架構支持動態增減規模，用戶根據需要可動態增加數據傳輸節點的個數，實現數據傳輸能力的動態擴展[10-11]。位于分布式傳輸架構的各個節點直接與云計算數據中心通信，其中任意節點損壞，都不會影響其它節點的傳輸，提升了數據傳輸的可靠性。因此，本系統使用分布式傳輸架構，以提升整個架構的穩定性和可擴充性。

分布式計算是虛擬化技術之外的又一個云計算[12]關鍵技術，為不同地理上分布的計算資源的有效利用提供了技術支持，同時也為復雜的大數據應用提供了簡單可行的計算方式。本文基于4G網絡采用分布式傳輸架構，實時采集處理各監測點水質數據，并將其存儲于云計算數據中心，解決了單個服務器的不足，具有成本低、利于擴展且易于維護等優點，為后續水質監測管理提供基礎數據支持。

1 數據傳輸架構設計

基于4G傳感網絡設計并實現分布式水環境監測系統，主要由基于無線傳感的水質數據采集模塊（物理層）、4G數據傳輸模塊（數據層）和后端通信與數據分析軟件（應用層）組成。在進行數據通信時，每個數據采集模塊通過4G網絡連接到云計算數據中心，通過協調工作完成對較大區域的多種信息采集[13]，形成完整的分布式系統架構。

分布式系統架構的水質數據采集、傳輸以及存儲流程如圖1所示。首先，云計算數據中心定時發出水質參數信息采集指令，通過無線網絡連接4G基站，將指令發送至遠程DTU（Data Transfer unit）；然后，DTU將接收的IP數據轉換為串口數據并解析出采集指令，通過RS485接口向傳感器發出指令。傳感器進行數據采集并將采集結果傳遞給DTU，DTU通過4G網絡向云計算數據中心返回水質數據；最后，云計算中心將數據保存到數據庫并顯示于可視化界面。

1.1 相關硬件介紹

通過對水質監測傳感器、4G通信模塊、獨立供電模塊和傳輸終端等進行軟硬件集成，開發出4G傳感水環境監測原型系統，硬件設備如圖2所示。

（1）獨立供電模塊：主要包括太陽能板、充電鋁電池及控制器。太陽能板為蓄電池供電，使其通過穩壓控制器為儀器提供穩定的12V電壓。經過測量，蓄電池在充滿狀態下可持續供電一周。在天氣晴朗的情況下，太陽能板可在一天內將蓄電池充滿，可有效應對連續陰雨天氣。

（2）4G通信模塊：DTU能完成串口數據與IP數據相互轉換，通過無線通信網絡進行數據傳送，實現云計算中心和傳感器數據源間的雙向數據傳輸。

（3）水質監測傳感器：主要包括溫度、pH、溶解氧、藍綠藻、葉綠素、氨氮、濁度等水質參數傳感器。各傳感器均有特定的數據讀取指令及數據返回指令，發送指令主要包括：地址、功能碼、起始地址高位、起始地址低位、數據高位、數據低位、CRC高位、CRC低位。返回指令包括地址、功能碼、字節數、數據高位、數據低位、CRC高位、CRC低位。例如，云計算數據中心通過網絡向水質傳感器發送pH讀取指令：01 04 00 01 00 01 60 0A，接收的返回指令為01 04 02 02 FB F9 D3，對返回指令進行解析可獲得監測點水質pH值。

1.2 數據傳輸架構實現

圖3是服務端程序數據采集流程。

啟動服務端程序后，程序底層使用TCP/IP協議通過無線網絡與裝載4G移動卡的遠程DTU建立TCP連接。云計算數據中心能在較短時間內與DTU建立連接，并獲得DTU詳細信息，包括DTU設備的用戶ID、DTU中4G通信卡手機號碼、動態IP地址、連接成功時間以及最近一次收到數據的時間，如圖4所示。

云計算數據中心采取多線程機制遠程監控，管理各監測點DTU設備，同時向各監測點發送采集指令并接收、分析與存儲DTU返回指令。通過向指定DTU發送數據讀取指令，可獲得實時水質參數返回數據包，取出其中返回的數據指令，根據指令前幾位字節區分不同水質參數，取出相應水質參數數據位字節，通過函數對其解析，得到實際水質參數值。endprint

2 性能測試

為測試單臺服務器并發性能，在改變云計算數據中心接收頻率和接收數據模式的情況下，分別研究服務器丟包率、CPU占有率以及內存使用率的變化情況。

2.1 服務器配置

測試服務器配置：①Windows Server 2012 R2 Standard操作系統；②Intel（R） Xeon（R） CPU E5-26500@2.00GHz（2處理器）；③內存（RAM）：32.0GB。

2.2 測試過程

通過控制變量法采集不同情況下的丟包率、CPU占有率以及內存使用率數據，接收端接收頻率設置為200ms/次或100ms/次，接收數據模式設置為數據庫模式、文本模式或控制臺輸出模式。

（1）設置服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為100ms/次，將采集數據插入數據庫，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況如圖5所示。

（2）設置服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為200ms/次，將采集數據插入數據庫，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況如圖6所示。

以上兩種測試方式的接收數據模式均為數據庫，發送數據頻率相同，在僅改變接收頻率的情況下，二者CPU占有率和內存使用率未出現明顯差距。但對于丟包率，服務器對數據接收指令處理頻率設置為100ms/次時，在并發數3 500左右出現丟包；服務器對數據接收指令處理頻率設置為200ms/次時，在并發數3 000左右出現丟包。

（3）設定服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為100ms/次，將采集的數據保存至文本，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況如圖7所示。

（4）設定服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為200ms/次，將采集的數據保存至文本，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況如圖8所示。

在接收頻率相同時，將接收數據保存至文本與保存至數據庫相比，二者并發數目相差不大；在并發數相同時，內存和CPU占有率未有明顯變化。

（5）設定服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為100ms/次，將采集的數據顯示于控制臺，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況，如圖9所示。

（6）設定服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為200ms/次，將采集的數據顯示于控制臺，此時丟包率、CPU占有率以及內存使用率情況如圖10所示。

比較測試5和測試6結果發現，服務器對數據接收指令處理頻率是100ms/次，在控制臺輸出模式中，并發數為4 000時沒有出現丟包，而服務器對數據接收指令處理頻率是200ms/次，在并發數為4 000時，丟包率也僅為0.33%。

經過以上多組實驗并對比測試結果，可得出結論：服務器對數據接收指令處理頻率為100ms/次的并發數目，比服務器對數據接收指令處理頻率為200ms/次的并發數目多；在直接輸出至控制臺情況下，無需進行打開和關閉數據庫或文本操作，因此并發數目相對另兩種模式要高；在并發數相同時，CPU與內存未有明顯變化；從整體上看，CPU占有率變化從9%到30%左右，內存變化約為1G大小。

綜合以上實驗結論，為達到較好服務性能，本文選擇服務器數據采集指令發送頻率為200ms/次，服務器對數據接收指令處理頻率為100ms/次，并將接收數據存儲至數據庫的模式，此時3 000左右的并發數可以滿足開發需要。1min可以發送1*60*1 000/200=300（次），每個節點連接10個傳感器，即300/10*3 000=90 000，此模式1min可連接90 000個節點進行采集信息。

2.3 實驗總結

本系統可高效準確地采集水質參數數據，并將其存儲至云計算數據中心數據庫，以便于其它應用調用。可在Windows form程序界面顯示水質信息，默認情況下按照固定時間間隔依次顯示水質參數數據。通過對水體實時監測，可獲得大范圍區域內水質信息，將采集到的某處監測點水質數據與正常水質標準值進行比較，得出此監測點水質情況。若出現污染現象，可通過進一步對比分析得到污染等級等詳細信息，為后續制定水環境管理決策提供數據保障。

3 結語

本文基于4G網絡設計實現了水質監測分布式數據傳輸架構，系統具有良好的擴展性、較強的抗干擾能力，避免了ZigBee速率低、距離短等不足。使用分布式傳輸架構，解決了集中式模型單點損壞影響傳輸的缺點，實現各傳輸節點間互不影響，加強了系統在傳輸過程中的安全性和可靠性。測試結果表明，系統具有較強的分布式數據傳輸性能，能滿足并發性數據的傳輸需求。

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