面向智慧城市的物聯網傳感器狀態監測與可視化應用

謝潤樺　王濱　張蘊明　趙海濤

摘 要：針對傳感器種類和數量日益增加的問題，相關管理部門提出對海量異構傳感器進行統一管理。針對這一現狀，提出一種基于RIA技術的物聯網傳感器狀態監測系統平臺，著重闡述了傳感器數據傳輸與解析，傳感器狀態預警機制及傳感網運行狀態可視化等技術。研究結果表明，該方法為物聯網運行狀態監控提供了數字化的科技支撐手段，進一步提升了北京市西城區物聯網傳感器管理效率，為城市物聯網監測平臺提供保障服務。

關鍵詞：物聯網；智慧城市；傳感器監測；可視化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

傳感器技術作為現代信息技術的三大基礎之一，是智慧城市建設的重要組成部分[1]。伴隨著智慧城市的建設浪潮，形形色色的傳感器分布在城市的各監控點位，實時感知著城市的運行。作為物聯網獲取數據的終端，傳感器自身的運行狀態與物聯網數據采集的準確性和時效性密切相關[2-4]。一方面，這些傳感器的數據傳輸機制不一，數量龐大，在各自運行系統內呈現“孤島式”的封閉管理狀態[5]；另一方面，傳統的物聯網傳感器運行狀態通常需要人工檢查，當出現異常數據時需人為判斷，并進入現場進行施工維護，需要投入大量的時間和人力以保證傳感器數據的正常傳輸[6]。由于目前缺乏一種統一管理、可兼容性強、高效的傳感器狀態監測辦法，導致城市傳感器的資源信息管理、發展規劃、調度決策效率低下[2]，進而影響了城市運行管理部門調度指揮的效率。

針對上述問題，本文采用GIS，RIA，傳感器等多種技術手段，研發了支撐傳感器空間管理、傳感器統一接入、傳感器異常預警等多項管理業務的物聯網傳感器運行狀態監測系統，該系統改變了傳統傳感器監測分散的管理模式，提高了傳感器狀態監測效率，作為物聯網監測網絡的“硬件保障”，為城市運行管理監督部門提供了一套功能豐富、可滿足用戶需求的監測管理平臺。

1 系統架構

物聯網傳感器狀態監測系統建設基于一系列的標準規范體系以及安全防護體系。為了便于設計與管理，將系統主體劃分為4個層次，即設備層、數據層、業務層以及表達層。在安全防護體系下，系統可與城市運行管理平臺以及其他部門系統進行數據和服務的共享與交換，物聯網傳感器狀態監測系統總體架構如圖 1所示。

系統框架4個層次具體如下：

（1）設備層：設備層主要包含多種感知設備，如雨量傳感器、雪量傳感器、積水傳感器（電子水尺）、傾角傳感器（戶外大型廣告）、牌匾RFID等，這些設備為數據采集服務提供了良好的硬件支撐。

（2）數據層：數據層包括系統建設所需的所有數據資源，具體為基礎數據，包括北京市西城區行政區域基本地圖數據、傳感器地理分布的空間數據、傳感器基本屬性數據、系統管理數據等；物聯網傳感器監測數據接收、傳感器運行狀態采集、運行狀態符號圖標入庫以及跟其他業務系統的數據共享。

（3）業務層：業務層為系統核心層，通過數據庫技術等同步傳感器數據至系統應用服務器，同時通過系統設備狀態規則判斷數據是否異常，進而推斷傳感器設備的運行狀態。發現傳感器工作異常后可通過系統自主預警，綜合地圖GIS技術及可視化技術顯示于業務前端，將異常消息通過系統和短信及時推送至管理員及運維工作人員。

（4）表達層：表達層分別針對領導、系統管理員、運維人員提供相應不同的各項傳感器監測、預警服務，對不同的傳感器、工作狀態進行文字、顏色、地圖坐標的分類表達。

2 系統關鍵技術

系統數據流設計是將傳感器的監測數據及狀態信息經由GPRS網絡傳輸到數據服務器中保存入庫。經過數據清洗后，傳感器監測數據同步至應用服務器，并根據事先設置好的標準體系進行比對、分析，及時發現數據異常問題，向業務層推送異常狀態信息，由傳感器狀態監測系統自主發出預警，短信通知工作人員到達現場處理。其中，系統關鍵技術包括傳感器數據傳輸與解析，傳感器狀態預警機制和傳感網運行狀態可視化。

2.1 傳感器數據傳輸與解析

目前，傳感器數據傳輸主要依靠GPRS無線通信方式，各傳感器都有其固有的通信協議，物聯網傳感器狀態監測系統通過解析協議實時接收監測數據。下文以TC401W型無線積水傳感器闡述數據為例解析流程。

TC401W積水傳感器是一種水位測量裝置，由感應式電子水尺和無線發射終端機結合而成。本項目采用120 cm單元長度規格，主要用太陽能電池板供電，配合鋰電池使用（3.7 V）可在連續陰雨天氣下正常工作25天以上。在分辨率為1 cm的情況下，積水傳感器每隔20 s測量一次水位。

根據本項目實際需求，根據不同情況對各傳感器設置數據傳輸規則，主要分為實時數據與增量報兩種傳輸策略。

（1）實時積水數據傳輸：當傳感器長時間測量到積水值為0時，最小可設置每隔1 h發送一次實時數據。

（2）增量報：當傳感器測量到有積水時，觸發增量報數據傳輸策略，在6 min內，水位上漲2 cm就會傳輸增量數據。

傳感器通過GPRS無線通信方式將數據傳輸到指揮中心物聯網監控平臺服務器并入庫。GPRS數據以數據包的形式傳輸，數據主體包含傳感器設備識別碼，設備IP地址，傳感器電壓，數據獲取時間，發送時間。通過傳感器數據接收軟件對以上數據進行解析，提取相應的信息，最終錄入數據庫。具體流程如圖 2所示。

2.2 傳感器狀態預警機制

傳感器通過規則實現運行狀態預警。通過計算指揮中心數據庫的傳感器實時數據表更新時間與當前時間之差，判斷傳感器有無更新數據。部分傳感器傳輸數據帶有自身工作狀態，如電壓值是否達到預設預警閾值等。

式中：D為某一傳感器在數據庫中的最新記錄與當前時間的時間間隔，Tnow為當前時間，Trecord為該傳感器在數據庫中最新一條記錄的時間，i為該類傳感器的某一設備號，j為傳感器傳輸策略識別號。

根據數據庫中實時表的數據判斷當前傳感器的傳輸策略，得到不同的時間間隔Interval。

式中：R為針對某一類傳感器當前的傳輸策略情景，代表該設備的最新數據獲取時間與正常工作時間間隔的比值。

當R≤1時，數據獲取正常；當R>1時，數據獲取時間超出正常范圍，系統出現提醒圖標；當R>2時，系統自動通過預設短信號碼給相關運維人員發送預警短信息，通知運維人員查看設備運行狀況。該方法適用范圍廣，可建立自定義閾值R。

2.3 傳感網運行狀態可視化

系統對傳感器的不同類別進行分層顯示，并設計了一個網絡地圖接口，系統管理員可通過接口進行增加、刪除傳感器圖層的操作，通過信息管理模塊編輯傳感器歷史維護日志、信息、位置坐標，實現熱插拔式傳感器系統監測，最終實現對傳感器信息的全面掌控。

目前，系統將雨量計、雪量計、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監測器分為5個圖層顯示。其中，P表示積水傳感器，R表示雨量傳感器，S表示雪量傳感器，Y表示沿街商戶牌匾監測傳感器，B表示大型戶外廣告傾角傳感器。對每個傳感器按運行狀態使用4種不同的顏色顯示，分別為：正常（綠色）、不正常（紫色）、失效（紅色）、禁用（灰色）。另外，使用熱配置，電子地圖可以更加直觀地查看城區傳感器的分布情況，有利于指揮中心的統籌管理。此外，系統利用餅狀圖描述用戶選擇的時間段內傳感器的運行情況，也提供表格導出功能給指揮中心自動生成監控總結文檔。

3 系統功能設計

物聯網傳感器狀態監測系統集成了電子地圖可視化、傳感器狀態數據傳輸、傳感器狀態監測等技術。系統功能設計如圖 3所示，該系統核心功能可分為運行監測、狀態查詢、維護日志、信息管理4個主要模塊。

（1）運行監測模塊：可在傳感器站點列表內查詢需要的站點，點擊后即可在地圖上定位，配合電子地圖，實時了解各傳感器的位置；也可通過點擊地圖上該站點的圖標顯示傳感器的詳細信息。該模塊使得用戶可以對某一特定傳感器進行快速定位，查看其運行狀態，一目了然，便于使用。

（2）狀態查詢模塊：在地圖上顯示各傳感器在過去選定時間內的歷史工作狀態，用餅狀圖實時繪制傳感器正常、禁用、失效、不正常的天數占比，也可通過表格的形式統計傳感器的工作狀態，最終導出表格，得到統計數據。

（3）維護日志模塊：按日期、傳感器類型、狀態類型分別查詢傳感器的維護記錄，也可通過表格等形式展現。此外，用戶還可填寫日志。

（4）信息管理模塊：通過此模塊，用戶可以實現類型管理、傳感器管理、用戶管理和日志管理。類型管理是對傳感器類型進行編輯；傳感器管理是針對某個類型實現傳感器的信息編輯；用戶管理可以實現用戶的信息編輯；日志管理可以查詢系統登錄歷史記錄。

4 系統實現與應用實例

4.1 系統實現

系統采用目前流行的B/S軟件體系結構，包含基于RIA的WebGIS技術框架，Java和WebService作為后臺服務端數據交互，結合物聯網技術和Microsoft SQL Server數據庫技術，利用ArcGIS Server10.0提供地圖服務，最終完成系統建設。

4.2 系統實例應用

本系統已應用于北京市西城區。目前，物聯網監測平臺運行的雨量計、雪量計、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監測器共119個。

系統實時監測模塊實際運行效果如圖 4所示。界面核心區域為北京市西城區電子地圖，選取積水傳感器作為查詢對象，包含8個積水監測站點。界面右側為傳感器列表信息，點擊任一記錄均可查詢該傳感器的詳細情況。

系統歷史狀態查詢模塊實際運行效果如圖 5所示。選擇一個時間間隔，查詢指定傳感器的狀態天數，以餅狀圖進行可視化顯示，即可對這些傳感器的歷史運行狀態一目了然。

5 結 語

隨著物聯網技術愈發成熟，傳感器的種類亦愈加豐富。得益于多種類、密集部署的智能傳感器網絡，物聯網概念得以真正落地并科學應用于城市各管理部門，從而為城市精細化管理提供技術和數據方面的支持。針對傳統物聯網傳感器狀態監測耗時費力的現狀，基于信息化技術提升傳感器狀態監測工作效率的需求，建設了物聯網傳感器狀態監測系統，為應急指揮決策提供數據保障。

本文著重討論了基于數據傳輸策略的傳感器狀態甄別方法，并以此運行狀態為依據，建立系統級別的預警機制及可擴展的智能傳感器網絡運行狀態可視化方法。該系統實現了異構傳感器的集中管理和運行狀態可視化，能夠有效降低城市物聯網傳感器運行狀態監測的運維工作強度，提高了工作效率。該系統在北京市西城區的物聯網監測平臺中得到了初步應用，為監測傳感器運行狀態提供了一個可行性強的管理思路和途徑。

參考文獻

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