水文測報(bào)采集物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處 宿遷 223800）

1 引言

在水利的水文管理系統(tǒng)中，水文數(shù)據(jù)的測量、報(bào)告屬于工作的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)旨在提供一整套水文數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)，將傳統(tǒng)的主要依賴人工采集、報(bào)告的方式改為利用物聯(lián)網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的水文數(shù)據(jù)首先實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾硖幖刂行?，然后通過移動(dòng)數(shù)據(jù)專網(wǎng)接入全省統(tǒng)一的水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)平臺。

水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)平臺將原來比較分散的采集方式，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并且采用統(tǒng)一的后臺服務(wù)器，將各個(gè)數(shù)據(jù)采集器上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，見圖1。

2 水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)平臺屬于智慧水利的重要組成部分，為水利的精準(zhǔn)管理提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下兩個(gè)重要的組成部分：水文數(shù)據(jù)采集器、水文數(shù)據(jù)后臺管理。

2.1 水文數(shù)據(jù)采集器

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

水文數(shù)據(jù)采集器（DAQ Box，下稱采集器）包括：傳感器、采集器、傳輸模塊等。采用NXP 公司的工業(yè)級32 位Cortex-A7 處理器i.MX6ul 作為主控芯片，主頻高達(dá)528MHz，無論在穩(wěn)定性、可靠性還是處理速度，都能完全滿足系統(tǒng)需求。外圍配備256MB DDR3、512MB NandFlash/4G eMMC，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，留有足夠的擴(kuò)展空間。具有10/100Mbps 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，方便和本地以太網(wǎng)連接。內(nèi)置北斗導(dǎo)航模塊，采集位置信息以及和后臺管理系統(tǒng)保持時(shí)間同步。通過4G 通信模塊保證數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊刂行牡臄?shù)據(jù)服務(wù)器。采用WIFI/BT模塊方便手機(jī)等設(shè)備的本地連接，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場使用手機(jī)APP 軟件上報(bào)數(shù)據(jù)。使用ZigBee 通信模塊，實(shí)現(xiàn)同一采集器下多個(gè)測控點(diǎn)的數(shù)據(jù)無線采集功能。水文數(shù)據(jù)采集器硬件框圖見圖2。

圖 1 水文數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器使用的是Linux 3.14 系統(tǒng)，文件系統(tǒng)部分采用了Busybox1.4， ubifs 的文件格式，應(yīng)用軟件使用QT4.8.5 來設(shè)計(jì)。

應(yīng)用軟件的模塊主要包括：水文傳感器數(shù)據(jù)采集上報(bào)、網(wǎng)絡(luò)管理、軟件版本升級等。

DAQ Box 采集通道設(shè)計(jì)分為模擬、數(shù)字采集方式。通過這些采集通道，能連接包括雨量、水位、流量、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等各類型水文數(shù)據(jù)傳感器。將這些數(shù)據(jù)采集后，統(tǒng)一量化，采用相關(guān)的通信協(xié)議，將具體的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器（DPS 服務(wù)器）。

網(wǎng)路管理模塊主要用來管理當(dāng)前DAQ Box 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。它需要保證設(shè)備在有多種連接方式的情況下，至少有一種網(wǎng)絡(luò)連接方式是穩(wěn)定、可靠的。如果發(fā)生斷網(wǎng)情況，需將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通知到負(fù)載均衡服務(wù)器（LBS 服務(wù)器）。

由于DAQ Box 的軟件版本在使用過程中，可能存在升級的要求，所以在DAQ Box端設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程升級。DAQ Box 端的遠(yuǎn)程升級是由管理后臺主動(dòng)發(fā)起，DAQ Box 端響應(yīng)，可以分為自動(dòng)升級和手動(dòng)升級：自動(dòng)升級是在后臺管理中存放最新版本的DAQ Box 的固件，然后系統(tǒng)自動(dòng)輪詢當(dāng)前所有在系統(tǒng)中注冊的DAQ Box的版本，低于最新版本的則開始升級；手動(dòng)升級為后臺管理者主動(dòng)點(diǎn)擊DAQ Box 的升級選項(xiàng)。

2.2 水文數(shù)據(jù)后臺管理系統(tǒng)

水文數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的管理系統(tǒng)運(yùn)行在Windows Server 操作系統(tǒng)之上，支持Windows Server 2008 及以上版本，需要Oracle 11g 版本的數(shù)據(jù)庫客戶端運(yùn)行時(shí)環(huán)境支持。管理系統(tǒng)是水文物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要結(jié)點(diǎn)，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分。它位于前端設(shè)備——水文數(shù)據(jù)采集盒子（DAQ Box）和后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)——數(shù)據(jù)查詢上報(bào)系統(tǒng)之間，為雙方提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。水文數(shù)據(jù)后臺管理系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：

（1）負(fù)載均衡服務(wù)，Load Balancing Server（LBS）。主要實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能，負(fù)責(zé)為設(shè)備分配設(shè)備管理服務(wù)器。通過數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的負(fù)載情況，選擇最合適此設(shè)備的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分配給請求的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

（2）數(shù)據(jù)處理服務(wù)，Data Process Server（DPS）。負(fù)責(zé)對DAQ Box 設(shè)備進(jìn)行配置管理，如向DAQ Box下發(fā)配置、命令，接收數(shù)據(jù)上報(bào)的設(shè)備信息、告警、響應(yīng)和請求等常規(guī)數(shù)據(jù)。定時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫中的命令表，若命令表不為空，則獲取命令下發(fā)到對應(yīng)的設(shè)備。中轉(zhuǎn)設(shè)備上報(bào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)到WEB 服務(wù)器。采集設(shè)備上報(bào)的告警數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫并轉(zhuǎn)發(fā)到WEB 服務(wù)器。定時(shí)按照水文測報(bào)統(tǒng)一平臺的數(shù)據(jù)格式上報(bào)水文數(shù)據(jù)。

圖2 水文數(shù)據(jù)采集器硬件框圖

整個(gè)系統(tǒng)的軟件框圖見圖3。

圖3 水文數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框圖

上面兩部分的軟件均以控制臺的形式獨(dú)立運(yùn)行，具體部署時(shí)可以將兩套軟件運(yùn)行在同一臺服務(wù)器上面，作為兩個(gè)程序進(jìn)程。亦可以根據(jù)系統(tǒng)接入的DAQ Box 的數(shù)量的具體需求，將LBS 和DPS 分開使用。如果有大量的DAQ Box 要求接入管理，可以使用多臺DPS服務(wù)器來分別處理DAQ Box的數(shù)據(jù)，這樣設(shè)計(jì)帶來了組網(wǎng)方便，在項(xiàng)目實(shí)施的初期，投入也相對較少，能節(jié)約成本。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

在實(shí)際工作中，將兩個(gè)服務(wù)軟件分別運(yùn)行在兩臺服務(wù)器上，采用這種組網(wǎng)方式，將兩臺服務(wù)器分別稱為負(fù)載均衡服務(wù)器以及數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

3.1 負(fù)載均衡服務(wù)器

負(fù)載均衡服務(wù)器（端口：16681）<——>水文數(shù)據(jù)采集器（DAQ Box）

負(fù)載均衡服務(wù)器（端口：16692）<——>數(shù)據(jù)處理服務(wù)器（DPS）

負(fù)載均衡服務(wù)器的程序在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行，開始實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的處理，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）監(jiān)聽設(shè)備端（DAQ Box）的連接請求，接受設(shè)備的連接請求。

（2）接收DAQ Box 端獲取DPS 服務(wù)器的地址信息的請求。1）通過本地存儲的DAQ Box 列表信息，如果不存在，則進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)DAQ Box 設(shè)備列表和數(shù)據(jù)庫同步，如果數(shù)據(jù)庫中也沒有配置該DAQ Box，則認(rèn)為非法接入，告警；2）獲取最適合此DAQ Box設(shè)備的DPS 服務(wù)器的地址信息回應(yīng)給設(shè)備；3）最適合此設(shè)備的服務(wù)器按照如下優(yōu)先級排序：a.手動(dòng)配置，通過手動(dòng)設(shè)置將某臺DAQ Box 配在某服務(wù)器上。b.舊設(shè)備，使用上次已經(jīng)分配的服務(wù)。c.新設(shè)備，在服務(wù)器負(fù)載允許范圍內(nèi)，選擇邏輯劃分一致的服務(wù)器分配給設(shè)備，比如在同一河流的、同一處管理所內(nèi)。

（3）完成DPS 服務(wù)器分配后，LBS 將相應(yīng)的分配的DPS 服務(wù)器地址發(fā)送給DAQ Box 后，DAQ Box設(shè)備主動(dòng)斷開與LBS 服務(wù)器的連接。

（4）如果所有DPS 服務(wù)器即將或已達(dá)到滿負(fù)荷，進(jìn)行告警。

（5）在數(shù)據(jù)庫中存儲DPS 服務(wù)器進(jìn)程的配置信息（服務(wù)進(jìn)程ID，IP 地址，端口，最大允許連接數(shù)，當(dāng)前已經(jīng)連接數(shù)），當(dāng)所有的DPS 服務(wù)器都達(dá)到最大連接數(shù)，上報(bào)告警。

（6）處理設(shè)備上報(bào)的DPS 服務(wù)器不能連接的告警；如果設(shè)備多次連接分配的DPS 服務(wù)器失敗后，向LBS 服務(wù)器發(fā)送告警，這個(gè)功能需要DAQ Box 端的嵌入軟件同步實(shí)現(xiàn)。

（7）當(dāng)接收到（6）所示的告警后，寫入數(shù)據(jù)庫告警表，同時(shí)設(shè)置此DPS 服務(wù)器狀態(tài)為異常（后臺管理人員看到告警后，修復(fù)對應(yīng)的服務(wù)器后，需要重新設(shè)置此服務(wù)器狀態(tài)，否則分配服務(wù)器會(huì)始終認(rèn)為此服務(wù)異常，而不為其分配設(shè)備），然后重新為設(shè)備分配其他的DPS 服務(wù)器。

（8）連接異常的設(shè)備，由LBS 服務(wù)器來進(jìn)行告警。LBS 服務(wù)器定時(shí)查詢本地DAQ Box 列表（要定時(shí)與數(shù)據(jù)庫同步，差異更新，時(shí)間間隔為1s）中安裝狀態(tài)為“正常監(jiān)控”的DAQ Box 是否已經(jīng)向分配服務(wù)器發(fā)起過申請，如果沒有則告警。

（9）負(fù)責(zé)對連接的DAQ Box 設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，如果是非法license 設(shè)備接入，則拒絕為其分配DPS 服務(wù)器地址，如果是重復(fù)license 多次接入，進(jìn)行告警。

3.2 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器（端口：16688）<——>水文數(shù)據(jù)采集器（DAQ Box）

具體的實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）監(jiān)聽DAQ Box設(shè)備端的連接，接受連接請求。

（2）維護(hù)與DAQ Box 設(shè)備端的長連接。

（3）向DAQ 設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)命令，處理設(shè)備響應(yīng)（實(shí)時(shí)監(jiān)控開啟、結(jié)束命令，重分配命令，重啟命令，版本升級）。

（4）接收DAQ 設(shè)備上報(bào)的告警，將告警存入數(shù)據(jù)庫中。未來得及存數(shù)據(jù)庫的告警，一定要及時(shí)備份在本地（特別是在收到重啟命令前），如果是收到退出命令，告警等數(shù)據(jù)未完全存入數(shù)據(jù)庫，則嘗試一段時(shí)間存數(shù)據(jù)庫，如果存完則安全退出，否則，將未存完的數(shù)據(jù)保存在本地磁盤（系統(tǒng)事先確定的文件或其他方式），待系統(tǒng)重啟時(shí)，獲取本地磁盤上次未存完的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫（注意重復(fù)數(shù)據(jù)的處理）。

（5）接收DAQ 設(shè)備其他請求、命令，進(jìn)行處理。

（6）DPS 服務(wù)器對連接的DAQ 設(shè)備合法性進(jìn)行驗(yàn)證，拒絕非法license 的DAQ 設(shè)備連接。

（7）監(jiān)控自身負(fù)載情況，寫入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)通知LBS 服務(wù)器。

（8）如果達(dá)到或超過最大負(fù)載，可以通過配置為拒絕模式，拒絕新設(shè)備的接入。

4 結(jié)語

江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處的水文測控站總計(jì)17 個(gè)，分布于駱馬湖周邊及中運(yùn)河、徐洪河、六塘河、新沂河上，該系統(tǒng)開發(fā)完成后，實(shí)際運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，使用維護(hù)方便，滿足了駱運(yùn)管理處的水文數(shù)據(jù)采集測報(bào)要求。同時(shí)，該系統(tǒng)不僅適用于中大流域水情數(shù)據(jù)的采集，而且適用于氣象、地震、海洋、森林防火等不同部門的數(shù)據(jù)采集工作■