基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘 要：傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測存在人工取樣困難、實時性差等問題。設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)。使用水土保持監(jiān)測設備采集數(shù)據(jù)，通過4G DTU模塊將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，再傳輸至云平臺上的服務器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、分析和管理，以及對系統(tǒng)的管理。同時對數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)的故障進行處理，保證采集的數(shù)據(jù)均可順利上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的誤判率最高不超過0.39%，能夠穩(wěn)定運行，可實現(xiàn)對水土保持數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，提高了水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的信息化水平，對我國的水土保持工作具有重要意義。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水土保持；數(shù)據(jù)監(jiān)測；遠程通信；云平臺；B/S架構(gòu)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

根據(jù)《關于加強新時代水土保持工作的意見》，要深入推進“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”，提高監(jiān)管精準化、智能化水平，推進云計算等現(xiàn)代信息技術與水土保持的深度融合，提高管理數(shù)字化、網(wǎng)絡化水平[1-2]。

近年來，國內(nèi)的研究學者也做了許多研究。文獻[3]設計了基于紅外光傳感器的泥沙在線監(jiān)測方法，文獻[4]設計了基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測系統(tǒng)，文獻[5]開發(fā)了基于4G的徑流泥沙遠程監(jiān)測云平臺，文獻[6]設計了數(shù)字水土保持智慧管理平臺，文獻[7]設計了基于云平臺的水土保持遠程監(jiān)測系統(tǒng)。上述研究成果對推進水土保持監(jiān)測具有促進作用，但仍存在諸多問題。水土保持監(jiān)測設備部署地點一般較偏僻，數(shù)據(jù)傳輸過程一旦遇到信號較差等情況，會導致數(shù)據(jù)上報失敗，致使數(shù)據(jù)丟失。同時，上述方法存在智慧化程度不高、數(shù)據(jù)格式標準不統(tǒng)一、信息難以共享和調(diào)用、系統(tǒng)無法支撐業(yè)務需求等問題。

針對當前水土保持監(jiān)測領域存在的問題，本文開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用4G DTU將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺，并利用部署在云平臺服務器上的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析、管理等功能，為科研人員提供相關數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設計

水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種基于云平臺的在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有實時數(shù)據(jù)采集、遠程數(shù)據(jù)傳輸、歷史數(shù)據(jù)管理、設備信息顯示、設備用戶管理等功能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。其包含硬件設備層、傳輸資源層、服務器資源層、系統(tǒng)功能層。

各層的具體功能如下：

（1）硬件設備層由泥沙含量傳感器、水位傳感器、溫度傳感器等硬件設備組成，通過數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動化采集與處理。

（2）傳輸資源層由4G DTU模塊和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺組成。硬件設備層的傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊處理后，再通過4G DTU模塊將數(shù)據(jù)信息上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。Web應用服務器與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間建立遠程連接通道，實現(xiàn)實時通信和數(shù)據(jù)信息的遠程傳輸。

（3）服務器資源層由阿里云上的Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器組成。數(shù)據(jù)庫服務器存儲由硬件設備層采集并由傳輸資源層上傳的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)管理信息，Web應用服務器對數(shù)據(jù)庫服務器進行增加、刪除、修改、查詢等操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理服務和系統(tǒng)管理服務。

（4）系統(tǒng)功能層以B/S架構(gòu)的方式提供水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)的所有業(yè)務服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析和管理，以及對系統(tǒng)的管理，為系統(tǒng)業(yè)務邏輯的實現(xiàn)層。

2 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體需求進行系統(tǒng)功能設計，系統(tǒng)主要包括設備數(shù)據(jù)管理、設備管理、系統(tǒng)管理、告警管理、個人中心5大功能模塊。系統(tǒng)功能模塊設計如圖2所示。

（1）設備數(shù)據(jù)管理模塊包括實時數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)列表管理模塊、數(shù)據(jù)條件管理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊。實時數(shù)據(jù)管理模塊可以把遠程采集設備最新采集的數(shù)據(jù)進行圖形化直觀顯示；數(shù)據(jù)列表管理模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)在系統(tǒng)界面通過列表形式進行顯示，還具備條件查詢和導出功能；數(shù)據(jù)條件管理模塊具備按照起始時間和結(jié)束時間進行查詢的功能；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊以日統(tǒng)計、月統(tǒng)計、年統(tǒng)計3種時間維度進行數(shù)據(jù)分析，以泥沙含量、徑流量、水位3種類型維度進行數(shù)據(jù)分析，能夠展示數(shù)據(jù)在不同時間維度的統(tǒng)計變化情況。數(shù)據(jù)曲線顯示界面如圖3所示。

（2）設備管理模塊由設備分布模塊、設備信息模塊、設備配置模塊組成。設備分布模塊在地圖上根據(jù)GPS坐標對設備進行定位，并通過彈出對話框的方式展現(xiàn)設備的基本信息；設備信息模塊具備設備信息的顯示、查詢、修改和刪除功能；設備配置模塊的主要功能是分配設備，超級管理員把設備分配給管理員，管理員把設備分配給普通用戶。設備管理界面如圖4所示。

（3）系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理模塊、角色分配模塊。用戶管理模塊可以對每個用戶進行信息修改、信息刪除等操作。系統(tǒng)共設計了3種角色：超級管理員、管理員和普通用戶。角色說明及功能權限見表1。角色分配模塊為每個用戶分配相應的角色，使其具有相應的系統(tǒng)操作權限，進而實現(xiàn)3級權限管理。

（4）告警管理模塊包括實時告警顯示模塊、歷史告警管理模塊。實時告警顯示模塊把當前告警的設備和告警信息以列表的形式呈現(xiàn)，人們可以查看告警的詳細信息，也可以解除告警；歷史告警管理模塊記錄該用戶名下所有設備的告警情況，支持按照設備名稱進行搜索。

（5）個人中心模塊包括個人信息模塊、密碼修改模塊。個人信息模塊可以查看和編輯用戶個人信息；密碼修改模塊支持對舊密碼進行修改，保障用戶的使用安全。

3 數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)是進行數(shù)據(jù)分析的基礎，數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)信息存儲的載體，負責數(shù)據(jù)的高效存儲與規(guī)范管理。為了保證數(shù)據(jù)的有效性和完整性，同時方便對數(shù)據(jù)進行讀取和分析，建立水土保持信息數(shù)據(jù)庫[8]。

水土保持信息數(shù)據(jù)庫不但要能夠保存遠程監(jiān)測設備上傳的大量數(shù)據(jù)信息，還要能夠支撐系統(tǒng)的業(yè)務功能需求，包括對遠程監(jiān)測設備和系統(tǒng)用戶的管理以及數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等。根據(jù)系統(tǒng)實際業(yè)務需要，設計設備實體、數(shù)據(jù)實體、用戶實體、告警實體、公司實體、角色實體、日志實體。

由于每臺遠程監(jiān)測設備都會上傳大量的數(shù)據(jù)信息，如果把所有設備上傳的數(shù)據(jù)信息全部存儲到一張數(shù)據(jù)庫表中，會嚴重影響數(shù)據(jù)查詢效率。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生，在存儲數(shù)據(jù)信息時，針對每一臺遠程監(jiān)測設備建立一張數(shù)據(jù)庫表tb_devicedata_xxxx（xxxx為設備編號），使得遠程監(jiān)控設備和數(shù)據(jù)庫對象之間實現(xiàn)完全映射。

4 遠程通信故障處理

設備在實際使用過程中，DTU模塊采用EC20，并通過4G方式傳輸，當4G網(wǎng)絡信號較差時，數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送，導致數(shù)據(jù)丟包，甚至出現(xiàn)通信模塊掉線、設備無法正常連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺等現(xiàn)象。

針對上述問題，水土保持監(jiān)測設備設計有FLASH存儲芯片，并在DTU模塊發(fā)送程序中做了相應的處理。在發(fā)送數(shù)據(jù)時使用加入ACK校驗的發(fā)送方式，結(jié)合“AT+QMTPUB=0，0，0，0”模式進行發(fā)送，同時基于回顯信息“+QMTPUB：0，1，0”進行判斷，防止出現(xiàn)假應答現(xiàn)象，確保物聯(lián)網(wǎng)平臺一定能夠接收到數(shù)據(jù)[9-10]。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

當水土保持監(jiān)測設備開始工作時，首先將DTU復位，之后連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。如果沒有連接成功，便一直嘗試重連；如果連接成功，判斷是否存在歷史數(shù)據(jù)。如果存在歷史數(shù)據(jù)，則優(yōu)先發(fā)送歷史數(shù)據(jù)；如果沒有歷史數(shù)據(jù)，或者歷史數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成，則發(fā)送實時數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中如果出現(xiàn)發(fā)送失敗的情況，則重新進行DTU復位。

在DTU復位、連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、歷史數(shù)據(jù)發(fā)送等過程中，新產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)也存入FLASH芯片中作為歷史數(shù)據(jù)，保證采集的數(shù)據(jù)不會在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中丟失。

5 系統(tǒng)應用實例

該系統(tǒng)目前已在北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司投入使用，被廣泛應用于國內(nèi)多處水土保持科技示范園區(qū)以進行水土保持監(jiān)測工作。以河北省保定市易縣清西陵水土保持科技示范園為例，該水土保持監(jiān)測站點部署了2臺水土保持監(jiān)測設備，設備上安裝有泥沙含量傳感器、水位高度傳感器，它們分別測量泥沙含量、徑流量等數(shù)據(jù)。現(xiàn)場設備安裝情況如圖7所示。

2023年7月，京津冀地區(qū)迎來特大暴雨。根據(jù)天氣預報顯示，保定市易縣7月30日有較大降雨量。對7月30日7：00—18：00徑流過程中采集到的數(shù)據(jù)（表2）進行分析（以h為單位求泥沙含量的平均值）。

由表2可知，泥沙含量隨著徑流過程中徑流量的增大而增大，隨著徑流量的減小而減小。徑流量、泥沙含量變化如圖8所示。本次徑流過程中，泥沙含量和徑流量呈正相關關系。

本文的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測徑流量和泥沙含量的變化情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的變化關系，工作人員能夠及時做出預判，以防造成不必要的經(jīng)濟損失。

6 結(jié) 語

本文針對當前水土保持監(jiān)測過程中信息化程度低、數(shù)據(jù)實時性差等問題，開發(fā)了一套自動化程度高、實時性好的基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過4G中DTU模塊將水土保持監(jiān)測設備采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并實時存儲到云數(shù)據(jù)庫中，在前臺界面顯示，供用戶進行查看、分析。該系統(tǒng)實現(xiàn)了泥沙含量、輸沙量、徑流量、溫度等數(shù)據(jù)的自動化測量和采集，對我國的水土保持工作具有促進作用。

注：本文通訊作者為肖愛平。

參考文獻

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作者簡介：趙海濤（1996—），男，在讀碩士研究生，研究方向為智能裝備。

肖愛平（1971—），男，博士，副教授，研究方向為智能裝備。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-03-11