面向智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與可視化應(yīng)用

謝潤(rùn)樺　王濱　張?zhí)N明　趙海濤

摘 要：針對(duì)傳感器種類和數(shù)量日益增加的問(wèn)題，相關(guān)管理部門(mén)提出對(duì)海量異構(gòu)傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出一種基于RIA技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，著重闡述了傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析，傳感器狀態(tài)預(yù)警機(jī)制及傳感網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可視化等技術(shù)。研究結(jié)果表明，該方法為物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控提供了數(shù)字化的科技支撐手段，進(jìn)一步提升了北京市西城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)傳感器管理效率，為城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供保障服務(wù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市；傳感器監(jiān)測(cè)；可視化

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是智慧城市建設(shè)的重要組成部分[1]。伴隨著智慧城市的建設(shè)浪潮，形形色色的傳感器分布在城市的各監(jiān)控點(diǎn)位，實(shí)時(shí)感知著城市的運(yùn)行。作為物聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的終端，傳感器自身的運(yùn)行狀態(tài)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和時(shí)效性密切相關(guān)[2-4]。一方面，這些傳感器的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制不一，數(shù)量龐大，在各自運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)呈現(xiàn)“孤島式”的封閉管理狀態(tài)[5]；另一方面，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器運(yùn)行狀態(tài)通常需要人工檢查，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)需人為判斷，并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工維護(hù)，需要投入大量的時(shí)間和人力以保證傳感器數(shù)據(jù)的正常傳輸[6]。由于目前缺乏一種統(tǒng)一管理、可兼容性強(qiáng)、高效的傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)辦法，導(dǎo)致城市傳感器的資源信息管理、發(fā)展規(guī)劃、調(diào)度決策效率低下[2]，進(jìn)而影響了城市運(yùn)行管理部門(mén)調(diào)度指揮的效率。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用GIS，RIA，傳感器等多種技術(shù)手段，研發(fā)了支撐傳感器空間管理、傳感器統(tǒng)一接入、傳感器異常預(yù)警等多項(xiàng)管理業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)分散的管理模式，提高了傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)效率，作為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的“硬件保障”，為城市運(yùn)行管理監(jiān)督部門(mén)提供了一套功能豐富、可滿足用戶需求的監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)基于一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系以及安全防護(hù)體系。為了便于設(shè)計(jì)與管理，將系統(tǒng)主體劃分為4個(gè)層次，即設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層以及表達(dá)層。在安全防護(hù)體系下，系統(tǒng)可與城市運(yùn)行管理平臺(tái)以及其他部門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和服務(wù)的共享與交換，物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)框架4個(gè)層次具體如下：

（1）設(shè)備層：設(shè)備層主要包含多種感知設(shè)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(shè)備為數(shù)據(jù)采集服務(wù)提供了良好的硬件支撐。

（2）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包括系統(tǒng)建設(shè)所需的所有數(shù)據(jù)資源，具體為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括北京市西城區(qū)行政區(qū)域基本地圖數(shù)據(jù)、傳感器地理分布的空間數(shù)據(jù)、傳感器基本屬性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)等；物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收、傳感器運(yùn)行狀態(tài)采集、運(yùn)行狀態(tài)符號(hào)圖標(biāo)入庫(kù)以及跟其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

（3）業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層為系統(tǒng)核心層，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等同步傳感器數(shù)據(jù)至系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否異常，進(jìn)而推斷傳感器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)傳感器工作異常后可通過(guò)系統(tǒng)自主預(yù)警，綜合地圖GIS技術(shù)及可視化技術(shù)顯示于業(yè)務(wù)前端，將異常消息通過(guò)系統(tǒng)和短信及時(shí)推送至管理員及運(yùn)維工作人員。

（4）表達(dá)層：表達(dá)層分別針對(duì)領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員、運(yùn)維人員提供相應(yīng)不同的各項(xiàng)傳感器監(jiān)測(cè)、預(yù)警服務(wù)，對(duì)不同的傳感器、工作狀態(tài)進(jìn)行文字、顏色、地圖坐標(biāo)的分類表達(dá)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)是將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器中保存入庫(kù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗后，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步至應(yīng)用服務(wù)器，并根據(jù)事先設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行比對(duì)、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常問(wèn)題，向業(yè)務(wù)層推送異常狀態(tài)信息，由傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自主發(fā)出預(yù)警，短信通知工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理。其中，系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析，傳感器狀態(tài)預(yù)警機(jī)制和傳感網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可視化。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析

目前，傳感器數(shù)據(jù)傳輸主要依靠GPRS無(wú)線通信方式，各傳感器都有其固有的通信協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)解析協(xié)議實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。下文以TC401W型無(wú)線積水傳感器闡述數(shù)據(jù)為例解析流程。

TC401W積水傳感器是一種水位測(cè)量裝置，由感應(yīng)式電子水尺和無(wú)線發(fā)射終端機(jī)結(jié)合而成。本項(xiàng)目采用120 cm單元長(zhǎng)度規(guī)格，主要用太陽(yáng)能電池板供電，配合鋰電池使用（3.7 V）可在連續(xù)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(cè)量一次水位。

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際需求，根據(jù)不同情況對(duì)各傳感器設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，主要分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與增量報(bào)兩種傳輸策略。

（1）實(shí)時(shí)積水?dāng)?shù)據(jù)傳輸：當(dāng)傳感器長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量到積水值為0時(shí)，最小可設(shè)置每隔1 h發(fā)送一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）增量報(bào)：當(dāng)傳感器測(cè)量到有積水時(shí)，觸發(fā)增量報(bào)數(shù)據(jù)傳輸策略，在6 min內(nèi)，水位上漲2 cm就會(huì)傳輸增量數(shù)據(jù)。

傳感器通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器并入庫(kù)。GPRS數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，數(shù)據(jù)主體包含傳感器設(shè)備識(shí)別碼，設(shè)備IP地址，傳感器電壓，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，發(fā)送時(shí)間。通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)接收軟件對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取相應(yīng)的信息，最終錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。具體流程如圖 2所示。

2.2 傳感器狀態(tài)預(yù)警機(jī)制

傳感器通過(guò)規(guī)則實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警。通過(guò)計(jì)算指揮中心數(shù)據(jù)庫(kù)的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表更新時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間之差，判斷傳感器有無(wú)更新數(shù)據(jù)。部分傳感器傳輸數(shù)據(jù)帶有自身工作狀態(tài)，如電壓值是否達(dá)到預(yù)設(shè)預(yù)警閾值等。

式中：D為某一傳感器在數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新記錄與當(dāng)前時(shí)間的時(shí)間間隔，Tnow為當(dāng)前時(shí)間，Trecord為該傳感器在數(shù)據(jù)庫(kù)中最新一條記錄的時(shí)間，i為該類傳感器的某一設(shè)備號(hào)，j為傳感器傳輸策略識(shí)別號(hào)。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)表的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前傳感器的傳輸策略，得到不同的時(shí)間間隔Interval。

式中：R為針對(duì)某一類傳感器當(dāng)前的傳輸策略情景，代表該設(shè)備的最新數(shù)據(jù)獲取時(shí)間與正常工作時(shí)間間隔的比值。

當(dāng)R≤1時(shí)，數(shù)據(jù)獲取正常；當(dāng)R>1時(shí)，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間超出正常范圍，系統(tǒng)出現(xiàn)提醒圖標(biāo)；當(dāng)R>2時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)預(yù)設(shè)短信號(hào)碼給相關(guān)運(yùn)維人員發(fā)送預(yù)警短信息，通知運(yùn)維人員查看設(shè)備運(yùn)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(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可視化

系統(tǒng)對(duì)傳感器的不同類別進(jìn)行分層顯示，并設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地圖接口，系統(tǒng)管理員可通過(guò)接口進(jìn)行增加、刪除傳感器圖層的操作，通過(guò)信息管理模塊編輯傳感器歷史維護(hù)日志、信息、位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)熱插拔式傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信息的全面掌控。

目前，系統(tǒng)將雨量計(jì)、雪量計(jì)、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監(jiān)測(cè)器分為5個(gè)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(jiān)測(cè)傳感器，B表示大型戶外廣告傾角傳感器。對(duì)每個(gè)傳感器按運(yùn)行狀態(tài)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(qū)傳感器的分布情況，有利于指揮中心的統(tǒng)籌管理。此外，系統(tǒng)利用餅狀圖描述用戶選擇的時(shí)間段內(nèi)傳感器的運(yùn)行情況，也提供表格導(dǎo)出功能給指揮中心自動(dòng)生成監(jiān)控總結(jié)文檔。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了電子地圖可視化、傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖 3所示，該系統(tǒng)核心功能可分為運(yùn)行監(jiān)測(cè)、狀態(tài)查詢、維護(hù)日志、信息管理4個(gè)主要模塊。

（1）運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊：可在傳感器站點(diǎn)列表內(nèi)查詢需要的站點(diǎn)，點(diǎn)擊后即可在地圖上定位，配合電子地圖，實(shí)時(shí)了解各傳感器的位置；也可通過(guò)點(diǎn)擊地圖上該站點(diǎn)的圖標(biāo)顯示傳感器的詳細(xì)信息。該模塊使得用戶可以對(duì)某一特定傳感器進(jìn)行快速定位，查看其運(yùn)行狀態(tài)，一目了然，便于使用。

（2）狀態(tài)查詢模塊：在地圖上顯示各傳感器在過(guò)去選定時(shí)間內(nèi)的歷史工作狀態(tài)，用餅狀圖實(shí)時(shí)繪制傳感器正常、禁用、失效、不正常的天數(shù)占比，也可通過(guò)表格的形式統(tǒng)計(jì)傳感器的工作狀態(tài)，最終導(dǎo)出表格，得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

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

（4）信息管理模塊：通過(guò)此模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)類型管理、傳感器管理、用戶管理和日志管理。類型管理是對(duì)傳感器類型進(jìn)行編輯；傳感器管理是針對(duì)某個(gè)類型實(shí)現(xiàn)傳感器的信息編輯；用戶管理可以實(shí)現(xiàn)用戶的信息編輯；日志管理可以查詢系統(tǒng)登錄歷史記錄。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用目前流行的B/S軟件體系結(jié)構(gòu)，包含基于RIA的WebGIS技術(shù)框架，Java和WebService作為后臺(tái)服務(wù)端數(shù)據(jù)交互，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用ArcGIS Server10.0提供地圖服務(wù)，最終完成系統(tǒng)建設(shè)。

4.2 系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

本系統(tǒng)已應(yīng)用于北京市西城區(qū)。目前，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)運(yùn)行的雨量計(jì)、雪量計(jì)、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監(jiān)測(cè)器共119個(gè)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)際運(yùn)行效果如圖 4所示。界面核心區(qū)域?yàn)楸本┦形鞒菂^(qū)電子地圖，選取積水傳感器作為查詢對(duì)象，包含8個(gè)積水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。界面右側(cè)為傳感器列表信息，點(diǎn)擊任一記錄均可查詢?cè)搨鞲衅鞯脑敿?xì)情況。

系統(tǒng)歷史狀態(tài)查詢模塊實(shí)際運(yùn)行效果如圖 5所示。選擇一個(gè)時(shí)間間隔，查詢指定傳感器的狀態(tài)天數(shù)，以餅狀圖進(jìn)行可視化顯示，即可對(duì)這些傳感器的歷史運(yùn)行狀態(tài)一目了然。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)愈發(fā)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(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)概念得以真正落地并科學(xué)應(yīng)用于城市各管理部門(mén)，從而為城市精細(xì)化管理提供技術(shù)和數(shù)據(jù)方面的支持。針對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)耗時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)狀，基于信息化技術(shù)提升傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作效率的需求，建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為應(yīng)急指揮決策提供數(shù)據(jù)保障。

本文著重討論了基于數(shù)據(jù)傳輸策略的傳感器狀態(tài)甄別方法，并以此運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，建立系統(tǒng)級(jí)別的預(yù)警機(jī)制及可擴(kuò)展的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)可視化方法。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)傳感器的集中管理和運(yùn)行狀態(tài)可視化，能夠有效降低城市物聯(lián)網(wǎng)傳感器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的運(yùn)維工作強(qiáng)度，提高了工作效率。該系統(tǒng)在北京市西城區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中得到了初步應(yīng)用，為監(jiān)測(cè)傳感器運(yùn)行狀態(tài)提供了一個(gè)可行性強(qiáng)的管理思路和途徑。

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