水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制

李曉梅+雷健+賈陸璐

摘 要：介紹了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，同時結(jié)合水務(wù)的監(jiān)控監(jiān)測對象和監(jiān)測參量，分析了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，提出了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制思路，給出了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；感知終端；研制；技術(shù)架構(gòu)；技術(shù)實現(xiàn)

中圖法分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0021-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。1998年，美國麻省理工學(xué)院創(chuàng)造性地提出了當(dāng)時被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1998年由美國MIT大學(xué)的Kevin Ashton教授提出，把RFID技術(shù)與傳感器技術(shù)應(yīng)用于日常物品中形成物聯(lián)網(wǎng)，著重的是物品的標(biāo)記。目前國際上對于物聯(lián)網(wǎng)尚沒有一個公認(rèn)的定義，比較廣泛的解釋是，把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中并構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，然后將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級強(qiáng)大的中心計算機(jī)群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實施實時的管理和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以更加精細(xì)和動態(tài)地管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。在2010年我國的政府工作報告所附的注釋中，對物聯(lián)網(wǎng)有如下的說明：物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

1 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。但對比物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)還是有所不同，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）使用對象不同?；ヂ?lián)網(wǎng)解決的是人與人的信息溝通問題，物聯(lián)網(wǎng)解決的是信息化的智能管理和決策控制問題；

（2）終端系統(tǒng)接入方式不同?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶通過端系統(tǒng)的服務(wù)器、臺式機(jī)、筆記本和移動終端訪問互聯(lián)網(wǎng)資源，物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器結(jié)點需要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚結(jié)點接入互聯(lián)網(wǎng)；

（3）網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式不同?；ヂ?lián)網(wǎng)主要是實行人與人之間的信息交互與共享，都是在人的控制之下完成的。而物聯(lián)網(wǎng)的端系統(tǒng)采用的是傳感器、RFID，因此物聯(lián)網(wǎng)感知的數(shù)據(jù)是傳感器主動感知或者是RFID讀寫器自動讀出的；

（4）使用技術(shù)不同?；ヂ?lián)網(wǎng)主要依賴于有線通訊方式，物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)種類包括無線技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能芯片技術(shù)、軟件技術(shù)，幾乎涵蓋了信息通信技術(shù)的所有領(lǐng)域。

2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系由5部分組成，包括應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)，其技術(shù)體系如圖1所示。

圖1中，感知層用于實現(xiàn)物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類物理量、標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術(shù)。傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù)實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織網(wǎng)絡(luò)以及多個傳感器對數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過程；

網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進(jìn)行傳送，需要傳感網(wǎng)絡(luò)與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合；

應(yīng)用層技術(shù)主要包含應(yīng)用支撐和應(yīng)用服務(wù)層技術(shù)。其中應(yīng)用支撐層技術(shù)用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通的功能，包括云計算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和智能信號處理技術(shù)；

公共技術(shù)不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某個特定層面，而是與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的三層都有關(guān)系，它包括標(biāo)識與解析、安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)質(zhì)量管理；

支撐技術(shù)是和物聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)的其他領(lǐng)域的技術(shù)，包括嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、功率與能量存儲技術(shù)等。

3 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

3.1 水務(wù)監(jiān)測對象及監(jiān)測參量

2010年全國開展了第一次水利普查工作，普查任務(wù)包括8個專項（北京水務(wù)增加了2個專項），普查對象包括10個方面，即河湖、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會用水、河湖開發(fā)治理保護(hù)、水土保持、水利行業(yè)能力、灌區(qū)、地下水取水井、供水工程、排水工程，這10個專項涵蓋了所有水利設(shè)施。通過梳理分析這些水利設(shè)施得到水務(wù)監(jiān)測對象主要包括12類分別為水文站、水位站、雨量站、水庫、引調(diào)水、橡膠壩、取水口、水源地、自備井、泵站、水閘、排污口，與之對應(yīng)的監(jiān)測參量主要有水位、水質(zhì)、降雨、流量、取水量、用水量、供水量、排污量、壓力、發(fā)電量、蒸發(fā)、泥沙、水深等。這些監(jiān)測對象有些是需要采集單一監(jiān)測參量，如單一雨量站、地下水源等，有些是需采集多種監(jiān)測參量，如水庫水閘、泵站引調(diào)水、橡膠壩等，各類監(jiān)測參量的采集信號接口也不盡相同，有開關(guān)量、模擬量、串口等。

3.2 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

水務(wù)信息采集是水利信息化和自動化建設(shè)的重要組成部分，從上世紀(jì)七十年代開始水利人就開始從事水務(wù)信息采集領(lǐng)域的相關(guān)工作，運(yùn)用傳感技術(shù)、無線電通信技術(shù)、電子技術(shù)以及計算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)實現(xiàn)了水利信息的實時采集與接收，中心能夠自動接收各個測站上傳的數(shù)據(jù)，同時可以下發(fā)指令獲取所需的數(shù)據(jù)，為防汛調(diào)度、水資源管理提供第一手的信息支撐。水利信息采集中的核心設(shè)備是信息采集終端，從上個世紀(jì)八十年代，水利信息采集終端就開始應(yīng)用在水利測站的各個站點，在水務(wù)信息化的發(fā)展中發(fā)揮了積極的作用，為水務(wù)的管理提供了數(shù)據(jù)支撐。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來和水務(wù)精細(xì)化管理對實時數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，有必要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)適合新形勢下水務(wù)發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，該設(shè)備既具有物聯(lián)網(wǎng)的典型技術(shù)特征，又滿足水務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端并不是全新的產(chǎn)品，它是已有的水利信息采集終端的升級優(yōu)化，具有小型化、低功耗、低成本、綠色環(huán)保等特點；

（2）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有唯一的編碼標(biāo)識，能夠入網(wǎng)自動識別，遠(yuǎn)程進(jìn)行管理和監(jiān)控；

（3）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是“智能”和“智慧”理念的具體體現(xiàn)。通過一定的協(xié)議，實現(xiàn)終端設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)接入，達(dá)到遠(yuǎn)程識別、定位、監(jiān)控和管理等目的；

（4）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端也是“與時俱進(jìn)”的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其也是在不斷優(yōu)化升級的。當(dāng)前處于初級階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)會逐步攻克，標(biāo)準(zhǔn)體系會逐漸完善，感知終端的功能和性能也會不斷優(yōu)化、升級。

4 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)框架與實現(xiàn)

4.1 總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)水務(wù)信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)由4個層面構(gòu)成，即傳感層、采集感知層、數(shù)據(jù)匯集層和應(yīng)用配置層，總體技術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2中的傳感層主要用于對各類傳感器實現(xiàn)事件和數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類與水文、水利設(shè)施運(yùn)行密切相關(guān)的監(jiān)測量，如水位、雨量、流量等，還有與水務(wù)管理相關(guān)的信息，如標(biāo)識、音視頻數(shù)據(jù)等。傳感層中的核心設(shè)備是傳感器，它既可以是簡單的物理量轉(zhuǎn)為電信號的變送器，也可以是具有數(shù)據(jù)分析處理功能的智能傳感器。

采集感知層是通過智能感知終端采集傳感層的數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信與發(fā)送。采集感知層的核心設(shè)備是智能感知終端，它能夠采集多種類型的傳感器數(shù)據(jù)，具備唯一的標(biāo)識碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動識別，按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)與前置服務(wù)器的通信與數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)匯集層是通過數(shù)據(jù)接收設(shè)備來解析接收采集的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲入庫。數(shù)據(jù)匯集層的核心設(shè)備是數(shù)據(jù)接收設(shè)備，為區(qū)別于應(yīng)用系統(tǒng)我們姑且稱其為數(shù)據(jù)前置接收服務(wù)器，它與智能感知相匹配，按照統(tǒng)一的協(xié)議解析接收一個或多個感知終端傳送的數(shù)據(jù)，多個前置接收服務(wù)器部署到不同的物理地點，一旦形成規(guī)模可以搭建基礎(chǔ)設(shè)施池，可以按照云理念（服務(wù)器云）加以管理提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Iass），保障數(shù)據(jù)匯集層的健壯和安全，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)所需從前置服務(wù)器上索取采集的數(shù)據(jù)。

圖2 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端總體技術(shù)架構(gòu)圖

應(yīng)用配置層是配置管理平臺，它一方面要對所有的智能感知終端和前置接收服務(wù)器進(jìn)行配置、狀態(tài)監(jiān)測等管理，對服務(wù)器云進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度和分配；另一方面要對用戶提供查詢、數(shù)據(jù)提取等服務(wù)功能，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位能夠按照一定的應(yīng)用協(xié)議從服務(wù)器云上查詢、獲取所需的采集數(shù)據(jù)。

4.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在總體架構(gòu)下，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有更強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端可以與傳統(tǒng)的水文遙測儀并行，按照統(tǒng)一的協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群，同時它具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過有線或無線近距離通信獲取水文遙測儀的數(shù)據(jù)，將水文遙測儀采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群。智能感知終端還具有水文遙測儀的已有接口和功能，可采集開關(guān)量、模擬量、RS232/485等接口類型傳感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)上傳。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，小型化、低功耗的智能傳感器會投入使用，物聯(lián)網(wǎng)感知終端留有接口可以通過無線的方式采集智能傳感器的數(shù)據(jù)并上傳，同時視頻圖像也可以利用感知終端將水務(wù)設(shè)施現(xiàn)場的畫面上傳至服務(wù)器群，供用戶調(diào)用查看。

4.3 技術(shù)路線

水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端服務(wù)于水務(wù)管理實時信息的采集，其主要功能和性能需要貼合水務(wù)管理的實際需要，同時對于不同的水務(wù)采集對象又具有不同的個性化需求，因此水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是一套系列產(chǎn)品，既具有通用的功能和標(biāo)準(zhǔn)接口，也有不同場合不同監(jiān)測對象個性化的要求。根據(jù)這些需求，研發(fā)技術(shù)路線從三方面加以考慮：

一是采用模塊化的設(shè)計思想，終端的硬件核心主板考慮通用功能和性能，底板考慮各種應(yīng)用場合的不同接口，以適應(yīng)不同傳感器和不同傳輸模式；終端內(nèi)的應(yīng)用軟件采用模塊編程，通過模塊的調(diào)用來實現(xiàn)不同需求下終端采集的功能；

二是硬件核心選用工業(yè)級的ARM芯片，選型上充分考慮存儲、低功耗、CPU運(yùn)行速率等重要性能指標(biāo)，同時兼顧終端擴(kuò)展性，充分考慮未來產(chǎn)品的優(yōu)化升級；

三是電源設(shè)計采用統(tǒng)一的電源管理思路，在電路設(shè)計上實現(xiàn)各個模塊的電源可控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

圖3 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

4.4 技術(shù)實現(xiàn)路徑

硬件采用模塊化的設(shè)計，以市場主流的ARM為核心CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、RTC、WTD、電源管理等模塊，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)處理、存儲、復(fù)位、電源管理等功能。核心板之外擴(kuò)展接口底板，配置數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、串行RS485/232、通信模塊、固態(tài)存儲、自動校時、LED狀態(tài)顯示等模塊，實現(xiàn)對下采集傳感器，對上傳輸采集數(shù)據(jù)的功能。

軟件平臺采用Linux操作系統(tǒng)，根據(jù)感知終端的主要功能和對外接口，對Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁，開發(fā)相應(yīng)的輸入、輸出、通信接口等驅(qū)動程序。同時按照水利行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和終端的工作流程及工作模式，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，中心開發(fā)向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件，實現(xiàn)對水務(wù)監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程配置等功能。

5 結(jié) 語

面臨第三次信息革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將越來越多地應(yīng)用到各個行業(yè)，走進(jìn)千家萬戶。本文從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，分析了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，給出了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)的技術(shù)體系。立足于水務(wù)領(lǐng)域，梳理了水務(wù)監(jiān)測對象及其監(jiān)測參量，分析了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，設(shè)計了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，給出了終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線和軟硬件的實現(xiàn)路徑。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李建功，王健全，王晶，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009（12）：1-6.

[3]劉金權(quán).一個高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（10）：7-8.

[4]許建龍，劉桂雄.基于MLD的物聯(lián)網(wǎng)感知層行為建模方法[J].中國測試，2013，39（5）：110-115.

[5]張橫云.物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息安全防護(hù)研究[J].電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2011，7（19）：4573-4574.

（1）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端并不是全新的產(chǎn)品，它是已有的水利信息采集終端的升級優(yōu)化，具有小型化、低功耗、低成本、綠色環(huán)保等特點；

（2）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有唯一的編碼標(biāo)識，能夠入網(wǎng)自動識別，遠(yuǎn)程進(jìn)行管理和監(jiān)控；

（3）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是“智能”和“智慧”理念的具體體現(xiàn)。通過一定的協(xié)議，實現(xiàn)終端設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)接入，達(dá)到遠(yuǎn)程識別、定位、監(jiān)控和管理等目的；

（4）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端也是“與時俱進(jìn)”的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其也是在不斷優(yōu)化升級的。當(dāng)前處于初級階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)會逐步攻克，標(biāo)準(zhǔn)體系會逐漸完善，感知終端的功能和性能也會不斷優(yōu)化、升級。

4 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)框架與實現(xiàn)

4.1 總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)水務(wù)信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)由4個層面構(gòu)成，即傳感層、采集感知層、數(shù)據(jù)匯集層和應(yīng)用配置層，總體技術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2中的傳感層主要用于對各類傳感器實現(xiàn)事件和數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類與水文、水利設(shè)施運(yùn)行密切相關(guān)的監(jiān)測量，如水位、雨量、流量等，還有與水務(wù)管理相關(guān)的信息，如標(biāo)識、音視頻數(shù)據(jù)等。傳感層中的核心設(shè)備是傳感器，它既可以是簡單的物理量轉(zhuǎn)為電信號的變送器，也可以是具有數(shù)據(jù)分析處理功能的智能傳感器。

采集感知層是通過智能感知終端采集傳感層的數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信與發(fā)送。采集感知層的核心設(shè)備是智能感知終端，它能夠采集多種類型的傳感器數(shù)據(jù)，具備唯一的標(biāo)識碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動識別，按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)與前置服務(wù)器的通信與數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)匯集層是通過數(shù)據(jù)接收設(shè)備來解析接收采集的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲入庫。數(shù)據(jù)匯集層的核心設(shè)備是數(shù)據(jù)接收設(shè)備，為區(qū)別于應(yīng)用系統(tǒng)我們姑且稱其為數(shù)據(jù)前置接收服務(wù)器，它與智能感知相匹配，按照統(tǒng)一的協(xié)議解析接收一個或多個感知終端傳送的數(shù)據(jù)，多個前置接收服務(wù)器部署到不同的物理地點，一旦形成規(guī)?？梢源罱ɑA(chǔ)設(shè)施池，可以按照云理念（服務(wù)器云）加以管理提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Iass），保障數(shù)據(jù)匯集層的健壯和安全，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)所需從前置服務(wù)器上索取采集的數(shù)據(jù)。

圖2 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端總體技術(shù)架構(gòu)圖

應(yīng)用配置層是配置管理平臺，它一方面要對所有的智能感知終端和前置接收服務(wù)器進(jìn)行配置、狀態(tài)監(jiān)測等管理，對服務(wù)器云進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度和分配；另一方面要對用戶提供查詢、數(shù)據(jù)提取等服務(wù)功能，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位能夠按照一定的應(yīng)用協(xié)議從服務(wù)器云上查詢、獲取所需的采集數(shù)據(jù)。

4.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在總體架構(gòu)下，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有更強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端可以與傳統(tǒng)的水文遙測儀并行，按照統(tǒng)一的協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群，同時它具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過有線或無線近距離通信獲取水文遙測儀的數(shù)據(jù)，將水文遙測儀采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群。智能感知終端還具有水文遙測儀的已有接口和功能，可采集開關(guān)量、模擬量、RS232/485等接口類型傳感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)上傳。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，小型化、低功耗的智能傳感器會投入使用，物聯(lián)網(wǎng)感知終端留有接口可以通過無線的方式采集智能傳感器的數(shù)據(jù)并上傳，同時視頻圖像也可以利用感知終端將水務(wù)設(shè)施現(xiàn)場的畫面上傳至服務(wù)器群，供用戶調(diào)用查看。

4.3 技術(shù)路線

水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端服務(wù)于水務(wù)管理實時信息的采集，其主要功能和性能需要貼合水務(wù)管理的實際需要，同時對于不同的水務(wù)采集對象又具有不同的個性化需求，因此水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是一套系列產(chǎn)品，既具有通用的功能和標(biāo)準(zhǔn)接口，也有不同場合不同監(jiān)測對象個性化的要求。根據(jù)這些需求，研發(fā)技術(shù)路線從三方面加以考慮：

一是采用模塊化的設(shè)計思想，終端的硬件核心主板考慮通用功能和性能，底板考慮各種應(yīng)用場合的不同接口，以適應(yīng)不同傳感器和不同傳輸模式；終端內(nèi)的應(yīng)用軟件采用模塊編程，通過模塊的調(diào)用來實現(xiàn)不同需求下終端采集的功能；

二是硬件核心選用工業(yè)級的ARM芯片，選型上充分考慮存儲、低功耗、CPU運(yùn)行速率等重要性能指標(biāo)，同時兼顧終端擴(kuò)展性，充分考慮未來產(chǎn)品的優(yōu)化升級；

三是電源設(shè)計采用統(tǒng)一的電源管理思路，在電路設(shè)計上實現(xiàn)各個模塊的電源可控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

圖3 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

4.4 技術(shù)實現(xiàn)路徑

硬件采用模塊化的設(shè)計，以市場主流的ARM為核心CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、RTC、WTD、電源管理等模塊，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)處理、存儲、復(fù)位、電源管理等功能。核心板之外擴(kuò)展接口底板，配置數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、串行RS485/232、通信模塊、固態(tài)存儲、自動校時、LED狀態(tài)顯示等模塊，實現(xiàn)對下采集傳感器，對上傳輸采集數(shù)據(jù)的功能。

軟件平臺采用Linux操作系統(tǒng)，根據(jù)感知終端的主要功能和對外接口，對Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁，開發(fā)相應(yīng)的輸入、輸出、通信接口等驅(qū)動程序。同時按照水利行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和終端的工作流程及工作模式，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，中心開發(fā)向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件，實現(xiàn)對水務(wù)監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程配置等功能。

5 結(jié) 語

面臨第三次信息革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將越來越多地應(yīng)用到各個行業(yè)，走進(jìn)千家萬戶。本文從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，分析了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，給出了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)的技術(shù)體系。立足于水務(wù)領(lǐng)域，梳理了水務(wù)監(jiān)測對象及其監(jiān)測參量，分析了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，設(shè)計了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，給出了終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線和軟硬件的實現(xiàn)路徑。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李建功，王健全，王晶，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009（12）：1-6.

[3]劉金權(quán).一個高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（10）：7-8.

[4]許建龍，劉桂雄.基于MLD的物聯(lián)網(wǎng)感知層行為建模方法[J].中國測試，2013，39（5）：110-115.

[5]張橫云.物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息安全防護(hù)研究[J].電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2011，7（19）：4573-4574.

（1）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端并不是全新的產(chǎn)品，它是已有的水利信息采集終端的升級優(yōu)化，具有小型化、低功耗、低成本、綠色環(huán)保等特點；

（2）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有唯一的編碼標(biāo)識，能夠入網(wǎng)自動識別，遠(yuǎn)程進(jìn)行管理和監(jiān)控；

（3）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是“智能”和“智慧”理念的具體體現(xiàn)。通過一定的協(xié)議，實現(xiàn)終端設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)接入，達(dá)到遠(yuǎn)程識別、定位、監(jiān)控和管理等目的；

（4）水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端也是“與時俱進(jìn)”的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其也是在不斷優(yōu)化升級的。當(dāng)前處于初級階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)會逐步攻克，標(biāo)準(zhǔn)體系會逐漸完善，感知終端的功能和性能也會不斷優(yōu)化、升級。

4 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)框架與實現(xiàn)

4.1 總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)水務(wù)信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)由4個層面構(gòu)成，即傳感層、采集感知層、數(shù)據(jù)匯集層和應(yīng)用配置層，總體技術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2中的傳感層主要用于對各類傳感器實現(xiàn)事件和數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類與水文、水利設(shè)施運(yùn)行密切相關(guān)的監(jiān)測量，如水位、雨量、流量等，還有與水務(wù)管理相關(guān)的信息，如標(biāo)識、音視頻數(shù)據(jù)等。傳感層中的核心設(shè)備是傳感器，它既可以是簡單的物理量轉(zhuǎn)為電信號的變送器，也可以是具有數(shù)據(jù)分析處理功能的智能傳感器。

采集感知層是通過智能感知終端采集傳感層的數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信與發(fā)送。采集感知層的核心設(shè)備是智能感知終端，它能夠采集多種類型的傳感器數(shù)據(jù)，具備唯一的標(biāo)識碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動識別，按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)與前置服務(wù)器的通信與數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)匯集層是通過數(shù)據(jù)接收設(shè)備來解析接收采集的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲入庫。數(shù)據(jù)匯集層的核心設(shè)備是數(shù)據(jù)接收設(shè)備，為區(qū)別于應(yīng)用系統(tǒng)我們姑且稱其為數(shù)據(jù)前置接收服務(wù)器，它與智能感知相匹配，按照統(tǒng)一的協(xié)議解析接收一個或多個感知終端傳送的數(shù)據(jù)，多個前置接收服務(wù)器部署到不同的物理地點，一旦形成規(guī)?？梢源罱ɑA(chǔ)設(shè)施池，可以按照云理念（服務(wù)器云）加以管理提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（Iass），保障數(shù)據(jù)匯集層的健壯和安全，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)所需從前置服務(wù)器上索取采集的數(shù)據(jù)。

圖2 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端總體技術(shù)架構(gòu)圖

應(yīng)用配置層是配置管理平臺，它一方面要對所有的智能感知終端和前置接收服務(wù)器進(jìn)行配置、狀態(tài)監(jiān)測等管理，對服務(wù)器云進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度和分配；另一方面要對用戶提供查詢、數(shù)據(jù)提取等服務(wù)功能，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用單位能夠按照一定的應(yīng)用協(xié)議從服務(wù)器云上查詢、獲取所需的采集數(shù)據(jù)。

4.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

在總體架構(gòu)下，水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有更強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，其應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端可以與傳統(tǒng)的水文遙測儀并行，按照統(tǒng)一的協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群，同時它具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過有線或無線近距離通信獲取水文遙測儀的數(shù)據(jù)，將水文遙測儀采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器群。智能感知終端還具有水文遙測儀的已有接口和功能，可采集開關(guān)量、模擬量、RS232/485等接口類型傳感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)上傳。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，小型化、低功耗的智能傳感器會投入使用，物聯(lián)網(wǎng)感知終端留有接口可以通過無線的方式采集智能傳感器的數(shù)據(jù)并上傳，同時視頻圖像也可以利用感知終端將水務(wù)設(shè)施現(xiàn)場的畫面上傳至服務(wù)器群，供用戶調(diào)用查看。

4.3 技術(shù)路線

水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端服務(wù)于水務(wù)管理實時信息的采集，其主要功能和性能需要貼合水務(wù)管理的實際需要，同時對于不同的水務(wù)采集對象又具有不同的個性化需求，因此水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端是一套系列產(chǎn)品，既具有通用的功能和標(biāo)準(zhǔn)接口，也有不同場合不同監(jiān)測對象個性化的要求。根據(jù)這些需求，研發(fā)技術(shù)路線從三方面加以考慮：

一是采用模塊化的設(shè)計思想，終端的硬件核心主板考慮通用功能和性能，底板考慮各種應(yīng)用場合的不同接口，以適應(yīng)不同傳感器和不同傳輸模式；終端內(nèi)的應(yīng)用軟件采用模塊編程，通過模塊的調(diào)用來實現(xiàn)不同需求下終端采集的功能；

二是硬件核心選用工業(yè)級的ARM芯片，選型上充分考慮存儲、低功耗、CPU運(yùn)行速率等重要性能指標(biāo)，同時兼顧終端擴(kuò)展性，充分考慮未來產(chǎn)品的優(yōu)化升級；

三是電源設(shè)計采用統(tǒng)一的電源管理思路，在電路設(shè)計上實現(xiàn)各個模塊的電源可控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

圖3 水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

4.4 技術(shù)實現(xiàn)路徑

硬件采用模塊化的設(shè)計，以市場主流的ARM為核心CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、RTC、WTD、電源管理等模塊，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)處理、存儲、復(fù)位、電源管理等功能。核心板之外擴(kuò)展接口底板，配置數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、串行RS485/232、通信模塊、固態(tài)存儲、自動校時、LED狀態(tài)顯示等模塊，實現(xiàn)對下采集傳感器，對上傳輸采集數(shù)據(jù)的功能。

軟件平臺采用Linux操作系統(tǒng)，根據(jù)感知終端的主要功能和對外接口，對Linux內(nèi)核進(jìn)行剪裁，開發(fā)相應(yīng)的輸入、輸出、通信接口等驅(qū)動程序。同時按照水利行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和終端的工作流程及工作模式，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，中心開發(fā)向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件，實現(xiàn)對水務(wù)監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程配置等功能。

5 結(jié) 語

面臨第三次信息革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將越來越多地應(yīng)用到各個行業(yè)，走進(jìn)千家萬戶。本文從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，分析了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，給出了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)的技術(shù)體系。立足于水務(wù)領(lǐng)域，梳理了水務(wù)監(jiān)測對象及其監(jiān)測參量，分析了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，設(shè)計了水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，給出了終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線和軟硬件的實現(xiàn)路徑。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李建功，王健全，王晶，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009（12）：1-6.

[3]劉金權(quán).一個高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（10）：7-8.

[4]許建龍，劉桂雄.基于MLD的物聯(lián)網(wǎng)感知層行為建模方法[J].中國測試，2013，39（5）：110-115.

[5]張橫云.物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息安全防護(hù)研究[J].電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2011，7（19）：4573-4574.