物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字湖泊中的應(yīng)用研究

趙盛萍++羊波++周紅明++李璟瑞++周慧++趙海茹++王蕊

摘 要 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字湖泊系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)和無(wú)線傳輸功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間的無(wú)線傳輸，來(lái)保障數(shù)字湖泊系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、有效性，為湖泊治理提供更加準(zhǔn)確、合理的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 數(shù)字湖泊；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳輸；ZigBee

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）190-0067-03

數(shù)字湖泊是近年來(lái)為湖泊污染的治理與保護(hù)提出的新思路、新技術(shù)。數(shù)字湖泊以保護(hù)水資源為目的，使湖泊具有科學(xué)合理的水位（水量）和較好的水質(zhì)，在開發(fā)、利用水資源的同時(shí)，保證湖泊水環(huán)境保持在良性的狀態(tài)。

1 數(shù)字湖泊介紹

數(shù)字湖泊的建立既可以為相關(guān)部門、機(jī)構(gòu)提供一般數(shù)據(jù)的瀏覽、信息查詢，又可以結(jié)合水質(zhì)、水量等模型復(fù)雜的水環(huán)境預(yù)測(cè)、分析，其概念模型如圖1所示[1]。

數(shù)字湖泊系統(tǒng)中首先通過多種途徑建立撫仙湖實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)化的區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，其次根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)字湖泊的相關(guān)模型，其中包括：地理空間模型、水質(zhì)模型、水量模型、生態(tài)環(huán)境模型等，這些模型為分析撫仙湖的生態(tài)演化或退化提供模型依據(jù)，實(shí)現(xiàn)在一定周期內(nèi)模擬、預(yù)測(cè)水環(huán)境變化。以上模型、數(shù)據(jù)建立好的專家?guī)?、知識(shí)庫(kù)可以為數(shù)字湖泊的業(yè)務(wù)管理與決策提供理論和數(shù)據(jù)支持，最后借助于網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)部門、機(jī)構(gòu)間數(shù)據(jù)的查詢、交換與共享，并實(shí)現(xiàn)湖泊區(qū)域治理與保護(hù)措施、政策的上行下達(dá)。

2 物聯(lián)網(wǎng)

從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]，如圖2所示。感知層是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源，其主要功能是通過節(jié)點(diǎn)傳感器物體進(jìn)行識(shí)別，采集特征信息。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)等組成，用于感知層提取的特征信息的傳遞和處理。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶間的交互接口[3]。

3 數(shù)字湖泊總體設(shè)計(jì)

介于相關(guān)部門和機(jī)構(gòu)（政府、人大、政協(xié)等）、職能部門和研究機(jī)構(gòu)（環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)等）不同的需求，在數(shù)字湖泊總體設(shè)計(jì)中可用物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)傳感器和智能算法、云計(jì)算這些技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，而且使用于水質(zhì)檢測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)等范疇[4]。

對(duì)數(shù)字湖泊的研究主要包括3個(gè)方面：水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大型水質(zhì)模型的建立和系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。從水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成的Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和顯示的下位機(jī)構(gòu)成了水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要部分。GPRS通信用于下位機(jī)和監(jiān)控中心上位機(jī)間的通信。現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信使用ZigBee通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)不光有距離近、操作簡(jiǎn)單、更強(qiáng)的組網(wǎng)能力、降低成本及更高可靠性等特點(diǎn)，充分滿足了無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要[5]。

傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集渾濁度、溫度、含氧量、pH值等水質(zhì)指標(biāo)，傳感器完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水體信息的采集，將生物量、物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)理電路的放大、濾波等處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將模擬量表示的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)傳輸、處理的數(shù)字信號(hào)，其硬件電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

3.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信

ZigBee技術(shù)所用的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE8

02.15.4標(biāo)準(zhǔn)其特點(diǎn)是耗電量低，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議從上到下分別為應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層 （NWK）、數(shù)據(jù)傳輸層（TL）、媒體訪問與控制層（MAC）、物理層（PHY）等。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、通信網(wǎng)絡(luò)的選擇和數(shù)據(jù)的傳輸是要考慮的關(guān)鍵問題。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在野外作業(yè)要保證監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和安全性。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)就需要選擇無(wú)線通信，可以選擇性價(jià)比、安全性較高的ZigBee通信技術(shù)。

ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3種分別為：星型結(jié)構(gòu)、樹狀網(wǎng)絡(luò)或簇狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)主要用于傳感節(jié)點(diǎn)少而且不需要傳輸太遠(yuǎn)的距離，無(wú)線傳輸可以不通過路由設(shè)備直接將采集到的數(shù)據(jù)從終端設(shè)備傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)設(shè)備，這樣既節(jié)約了成本又降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；樹狀網(wǎng)絡(luò)或簇狀網(wǎng)絡(luò)，就像樹枝一樣層層分丫，越到后面丫枝樹越多，對(duì)于這樣的特點(diǎn)它比較適合傳輸距離較長(zhǎng)、傳感節(jié)點(diǎn)較集中和較多的無(wú)線傳輸；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)它則比較適合所要檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)比較多、傳輸距離遠(yuǎn)和節(jié)點(diǎn)比較分散的結(jié)構(gòu)[6]。根據(jù)湖泊數(shù)字監(jiān)測(cè)的要求星型和樹狀網(wǎng)絡(luò)較適合水環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要在于軟件開發(fā)平臺(tái)的搭建和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用了三層設(shè)計(jì)方法。將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 結(jié)論

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，提出將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字湖泊中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境數(shù)據(jù)和上位機(jī)之間的無(wú)線通信，以便于建立實(shí)時(shí)、全面的水環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。上述數(shù)據(jù)庫(kù)有助于建立覆蓋面更廣、功能更全面、實(shí)時(shí)性更好的數(shù)字湖泊平臺(tái)，為湖泊的治理提供更有利的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]趙俊三，龔純偉，嚴(yán)泰來(lái)，等.數(shù)字湖泊空間分析模型與多尺度數(shù)據(jù)組織[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2007（3）：91-95.

[2]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法的比較研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013（1）：168-188.

[3]楊京帥，雷景敏.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估關(guān)鍵問題研究[J].公路，2012（9）：70-73.

[4]趙俊三.數(shù)字湖泊及其地理空間數(shù)據(jù)組織問題研究[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2010中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第三卷），中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2010：4.

[5]王小強(qiáng).歐陽(yáng)駿.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011.