基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭雨　胡勝利　楊同滿

摘要：針對(duì)目前地下水監(jiān)測(cè)不足造成的各種問(wèn)題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念和三層架構(gòu)進(jìn)行了介紹，然后在三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心的設(shè)計(jì)，最后給出了系統(tǒng)工作原理和主要功能。目前該系統(tǒng)已投入到具體的應(yīng)用當(dāng)中。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用性，為相關(guān)部門(mén)節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力，得到了相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；GPRS；虛擬專(zhuān)用網(wǎng)；無(wú)線傳輸；地下水監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）28-0197-03

Design of Internet of Things-based Groundwater Remote Monitoring System

GUO Yu1，HU Sheng-li1，YANG Tong-man2

（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.College of Meteorology and Oceanography，PLA Univ.of Sci.& Tech，Nanjing 211101，China）

Abstract： Being aimed at the problem of groundwater monitoring at present，this paper presents a design scheme of remote monitoring based on Internet of Things.Firstly，the concept of Internet of Things and its three layer architecture are introduced，and the overall design scheme of system based on the three architecture is put forward.The design of remote monitoring，wireless transmission network and monitoring center of system are introduced in detail.The paper gives Working principle and main functions of system at last.At present，the system has been put into concrete application.It is proved that the system has excellent expandsibility and applicability.It has saved lots of manpower，material resources and financial resources for relevant departments.

Key words： internet of things； GPRS；virtual private network；wireless transmission；groundwater monitoring

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏的國(guó)家，雖然總儲(chǔ)量占世界第六位，但人均水資源卻是世界人均水資源的1/4。地下水資源的合理利用和開(kāi)采對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境都起著至關(guān)重要的作用。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活水平提高的同時(shí)也伴隨著地下水資源的大量開(kāi)采，再加之水資源的污染、有關(guān)部門(mén)缺乏合理規(guī)劃和有效監(jiān)管，就安徽本地來(lái)說(shuō)，已經(jīng)出現(xiàn)了地區(qū)性水位下降和枯竭等問(wèn)題。從而引發(fā)了部分地區(qū)地面沉降、土壤鹽漬化和地裂縫等情況，對(duì)地下水資源的有效監(jiān)測(cè)已迫在眉睫。

文獻(xiàn)[1]提出了基于GPRS（General Packet Radio Service）-Internet網(wǎng)絡(luò)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文利用物聯(lián)網(wǎng)的各種特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原則，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1物聯(lián)網(wǎng)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、等信息傳感設(shè)備，遵守約定的協(xié)議，把物理實(shí)體與物聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的、定位、跟蹤、智能化識(shí)別、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的三成架構(gòu)

感知層是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源。主要包括一些基本感應(yīng)器件和感應(yīng)器件組成的網(wǎng)絡(luò)這兩部分。感知層我們采用超聲波流量計(jì)作為采集終端。

網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層獲得的數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題。它主要功能是接入傳輸，完成數(shù)據(jù)的傳遞和交換，一般分為接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)兩種類(lèi)型。本系統(tǒng)采用的是GPRS+VPN的無(wú)線傳輸方式，在保證數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)又提高了實(shí)時(shí)性。

應(yīng)用層解決是數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被應(yīng)用層處理并通過(guò)各種設(shè)備與人交互。系統(tǒng)中利用.NET技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，提供了實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)報(bào)表和設(shè)備報(bào)警等相關(guān)功能。其三層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)中心三部分組成，分別對(duì)應(yīng)著物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示：

2.1感知層

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)各類(lèi)傳感器，對(duì)地下水的水位、水溫、水質(zhì)等信息進(jìn)行采集，通過(guò)MCU微控制器對(duì)采集的信號(hào)，比如電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232/485串口傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的從GPRS通信設(shè)備上，GPRS模塊我們采用SIEMENS公司的MC39I模塊，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加密處理后傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要擔(dān)當(dāng)著各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。近年?lái)，隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和發(fā)展，其在數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。GPRS網(wǎng)絡(luò)幾乎無(wú)縫覆蓋和按流量、話費(fèi)等資費(fèi)方式收費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用在地下水資源無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的性?xún)r(jià)比和發(fā)展前景都是巨大的。本系統(tǒng)采用GPRS+VPN虛擬專(zhuān)用網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、高效的傳輸。

2.2.1 GPRS通信技術(shù)

GPRS是建立在GSM（Global System for Mobile Communication）網(wǎng)絡(luò)之上，為用戶(hù)提供高速分組交換數(shù)據(jù)的新網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。它是在GSM原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了一層網(wǎng)絡(luò)而組成的，網(wǎng)絡(luò)中增加了GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN（Serving GPRS Support Node）、GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN（Gateway GPRS Support Node）、計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)（可選）、邊緣網(wǎng)關(guān)（可選）等實(shí)體，同時(shí)通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各實(shí)體之間的連接[3]。該網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)：

1）高速數(shù)據(jù)傳輸

GPRS網(wǎng)絡(luò)采用的是分組交換技術(shù)，通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)到171.2kb/s。實(shí)際傳輸速率也可達(dá)到40kb/s，可以滿足各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)囊?，具有良好的?shí)時(shí)處理和響應(yīng)能力。

2）實(shí)時(shí)在線

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的從GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)保持著實(shí)時(shí)交互的能力。滿足了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的各種控制指令，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)和在線狀態(tài)。

3）按量計(jì)費(fèi)和覆蓋范圍廣

各遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的從GPRS設(shè)備只要正常開(kāi)機(jī)就始終附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，按照接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量來(lái)收取費(fèi)用，在沒(méi)有數(shù)據(jù)包傳遞時(shí)，即使在線，也不會(huì)消耗任何費(fèi)用，一定程度上降低的項(xiàng)目成本。另外水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集的跨度比較大，要求系統(tǒng)擴(kuò)展不受地區(qū)的限制，GPRS網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋范圍很廣，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2.2.2 VPN虛擬專(zhuān)用網(wǎng)

虛擬專(zhuān)用網(wǎng)VPN（Virtual Private Network）是一種在公共通信基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建的虛擬專(zhuān)用或私有網(wǎng)，通過(guò)一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)臨時(shí)的、安全的連接，是一條穿過(guò)混亂公用網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的隧道，可以被認(rèn)為是一種從公共網(wǎng)絡(luò)中隔離出來(lái)的網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)測(cè)中心的主GPRS模塊和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的從GPRS模塊接入VPN網(wǎng)絡(luò)后，中國(guó)移動(dòng)都會(huì)為其分配一個(gè)固定的IP地址。各設(shè)備可以通過(guò)PPP、TCP/IP、UDP等協(xié)議直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無(wú)需地址轉(zhuǎn)換。另外VPN使用加密傳隧協(xié)議，阻止截聽(tīng)和嗅探來(lái)保證數(shù)據(jù)安全性。并且為防止身份偽造，要求使用者在使用時(shí)發(fā)送身份驗(yàn)證，數(shù)據(jù)完整性和安全性得到充分的保證。

本系統(tǒng)中GPRS網(wǎng)絡(luò)下VPN的消息流程如下：

2.3應(yīng)用層

該層主要為監(jiān)測(cè)中心軟件的設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心軟件以.NET為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用B/S三層架構(gòu)，分別為表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAL），安全性高并且具有良好的可擴(kuò)展性。結(jié)構(gòu)如下所示：

表示層：表示層主要通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層的類(lèi)和對(duì)象為用戶(hù)提供可視化的接口和界面，秉承所見(jiàn)即所得的原則，主要包括等水位線生成、電子地圖、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表和報(bào)警等功能。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層用于存儲(chǔ)和修改項(xiàng)目下所需數(shù)據(jù)和參數(shù)。包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸過(guò)來(lái)并被前置機(jī)處理存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的配置參數(shù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表。通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，隱藏訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的細(xì)節(jié)。

業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯層完成與數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的數(shù)據(jù)交互的操作。該系統(tǒng)中主要通過(guò)監(jiān)測(cè)中心端的前置機(jī)完成數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理和監(jiān)測(cè)井端報(bào)警控制等。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)庫(kù)中的Connection、Dataset和DataReader類(lèi)用以訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)集中送往表示層展現(xiàn)。

3系統(tǒng)工作原理和主要功能

3.1工作原理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用全雙工通信方式。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的流量計(jì)等采集設(shè)備通過(guò)DTU微處理機(jī)芯片對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行A/D處理，將處理的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232/485串口傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)端的從GPRS通信模塊上，從GPRS模塊完成激活與移動(dòng)基站進(jìn)行連接，使用TCP/IP和PPP協(xié)議將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包封裝、加密處理后傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上?；镜腟GSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組的資料進(jìn)行相應(yīng)處理。網(wǎng)絡(luò)端由于采用GPRS+VPN方式，監(jiān)測(cè)中心的主GPRS模塊可以直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將解包的數(shù)據(jù)送往監(jiān)測(cè)中心端的前置機(jī)，通過(guò)RS232/485串口存入數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控軟件從而對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理展示。

系統(tǒng)工作流程如下：

3.2主要功能

1）實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)中心端的前置機(jī)向各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送AT指令，監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)指令或主動(dòng)對(duì)水位、水溫、監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)和信道是否正常進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)從GPRS模塊將各種數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)送往監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心將發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的表中。監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)崟r(shí)繪制水位柱狀圖、流量曲線圖等過(guò)程曲線。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。

2）數(shù)據(jù)分析模塊

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制相關(guān)的曲線圖。根據(jù)監(jiān)測(cè)端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制水位等值線，用來(lái)判斷部分地區(qū)漏斗狀態(tài)的變化，為相關(guān)管理機(jī)構(gòu)和決策者提供參考幫助。

繪制等值線采用的是美國(guó)Golden Software公司編制的surfer軟件，它能夠輕松制作基底圖、等值線圖、分類(lèi)數(shù)據(jù)圖、剖面圖、3D曲線圖等，已成為氣象、地質(zhì)、水位水利、土地管理工作者必備的專(zhuān)業(yè)成圖軟件。

3）水位流量查詢(xún)

取水查詢(xún)可以進(jìn)行多個(gè)用戶(hù)的水量查詢(xún)，也可以查詢(xún)單個(gè)用戶(hù)的用水情況。多用戶(hù)的查詢(xún)，系統(tǒng)提供日、周、月、年查詢(xún)方式。用戶(hù)從前臺(tái)軟件的下拉列表框中選擇需要查詢(xún)的類(lèi)型，規(guī)定查詢(xún)需要的時(shí)間段后，用水單位的取水流量情況會(huì)自動(dòng)查詢(xún)出來(lái)，同時(shí)生成柱狀圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用.NET技術(shù)和GPRS+VPN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心端的設(shè)計(jì)和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)井和地下水可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，滿足了無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)工作人員也可以準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)地下水?dāng)?shù)據(jù)變化的需要。為水利決策者提供了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、操作便捷的數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力。相信隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越完善，在其他行業(yè)也會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

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