應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

呂貴杰　潘淼鑫　陳崇成　黃正?！￡愑駤?/p>

【摘? ?要】? ?為了實現(xiàn)實時應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測，設(shè)計并研發(fā)了能夠與無線傳感自組網(wǎng)結(jié)合、實時接收傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的桌面端可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)集成GMap.net、串口通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行串口通信，能夠?qū)崟r接收傳感器傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)和地理位置等信息，并具有環(huán)境參數(shù)實時顯示、趨勢分析、系統(tǒng)報警、節(jié)點地理位置顯示和管理等功能。系統(tǒng)在福州大學(xué)國家科技園進(jìn)行了測試，能夠穩(wěn)定運行，可為應(yīng)急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐和決策支持。

【關(guān)鍵詞】? ?應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測;無線傳感網(wǎng);串口通信;數(shù)據(jù)庫

The Design and Development of Emergency Environmental

Monitoring Visualization System

Lv Guijie， Pan Miaoxin， Chen Chongcheng*， Huang Zhengrui， Chen Yujiao

（Fuzhou University， Fuzhou 350100， China）

【Abstract】? ? To realize real-time emergency environmental monitoring， the desktop terminal-based visualization system is designed and developed， which can connect with self-organizing wireless sensor networks （WSN） and receive sensor data in real time. The system， combining GMap.net， serial communication technology and database technology， communicates with gateways through serials， receives real-time information transmitted by sensors， such as environmental parameters and geographic locations， and has some functions， including real-time environmental parameters display， trend analyses， system alarms， node geographic location display and management， etc. The proposed system is tested in the National Science and Technology Park of Fuzhou University， and the the test result shows it works stably and thus can provide data support and decision support for emergency response.

【Key words】? ? ?emergency environmental monitoring; wireless sensor network （WSN）; serial communication; database

0? ? ?引言

自然和人為災(zāi)害的高度易變性給人們的生命和財產(chǎn)帶來巨大的損失，災(zāi)害應(yīng)急要求實時了解災(zāi)害區(qū)域的現(xiàn)場狀況[1-2]，直觀顯示災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以為及時可靠地處理突發(fā)災(zāi)害提供決策支持。地震洪水等大規(guī)模災(zāi)難可能會導(dǎo)致大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)故障，從而導(dǎo)致大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中斷和數(shù)據(jù)丟失[3]，基于公網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎眯院头€(wěn)定性變差，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收和處理造成巨大的挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的災(zāi)害監(jiān)測[4-6]。本文在以遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）為無線接入技術(shù)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，利用串口通信技術(shù)與傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，將傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)實時接入系統(tǒng)，并結(jié)合地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲和動態(tài)圖表等技術(shù)，更直觀地顯示傳感器的點位信息和數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，為應(yīng)急人員合理快速地做出響應(yīng)提供決策支持。

1? ? ?總體設(shè)計

1.1? ?系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)以滿足應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測需要為目標(biāo)，以數(shù)據(jù)為核心，串口通訊為紐帶。分為四個部分，即數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層，總體架構(gòu)如圖1所示。①數(shù)據(jù)接入層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源，傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)、位置等數(shù)據(jù)通過LoRa傳輸?shù)綌?shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，通過串口通訊接入系統(tǒng);②數(shù)據(jù)資源層是系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)保障，將需要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)離線下載轉(zhuǎn)換成滿足格式的數(shù)據(jù)包，將主題數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中便于查詢管理，將地理標(biāo)記數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中方便高性能存取;③應(yīng)用支撐層為應(yīng)用提供應(yīng)用接口，該層將各部分封裝成模塊，易于管理和擴(kuò)展，便于供應(yīng)用層調(diào)用，包括用于底圖的離線地圖模塊、用于數(shù)據(jù)存取的數(shù)據(jù)訪問模塊、用于數(shù)據(jù)接入控制的串口通訊模塊等;④應(yīng)用層不僅實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和各節(jié)點狀態(tài)信息的實時顯示、查詢統(tǒng)計、趨勢分析功能，還具有閾值管理和應(yīng)急報警等功能。

1.2? ?數(shù)據(jù)存儲組織方式設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和主題數(shù)據(jù)兩部分。空間數(shù)據(jù)包括地圖數(shù)據(jù)和傳感節(jié)點空間數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)作為底圖數(shù)據(jù)，用于了解應(yīng)急現(xiàn)場的地理信息。地圖包括影像圖、地形圖等，要滿足各種地理地圖間的快速無縫切換。不同分辨率的地圖離線到本地，以數(shù)據(jù)庫文件方式進(jìn)行存儲。傳感節(jié)點狀態(tài)信息以及報警數(shù)據(jù)使用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。主題數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、閾值數(shù)據(jù)，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理。

1.3? ?功能設(shè)計

根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的需求，系統(tǒng)包含地理底圖、數(shù)據(jù)接入實時顯示、節(jié)點管理、系統(tǒng)報警、統(tǒng)計分析等功能模塊，功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。①地理底圖功能是為系統(tǒng)提供底圖，包括底圖加載顯示、地圖平移縮放等基本操作，以及多類型地圖的同步縮放;②數(shù)據(jù)接入實時顯示功能將各節(jié)點通過LoRa組網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口通訊接入系統(tǒng)，并將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示;③節(jié)點管理提供每個傳感器節(jié)點狀態(tài)信息，包括：節(jié)點狀態(tài)管理每個節(jié)點實時的異常信息，地圖標(biāo)注根據(jù)節(jié)點不同狀態(tài)在地圖上以不同顏色顯示并顯示每個節(jié)點的屬性信息，節(jié)點查詢可以查詢地圖上每個節(jié)點對應(yīng)的記錄，以及用于了解當(dāng)前節(jié)點的具體參數(shù);④系統(tǒng)報警功能供使用人員快速獲取異常信息。閾值管理供應(yīng)急人員根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)置當(dāng)前環(huán)境因子參數(shù)的報警臨界值，報警管理負(fù)責(zé)將異常信息反饋到節(jié)點狀態(tài)并在地圖上顯示，同時將具體異常信息反饋給用戶;⑤統(tǒng)計分析功能根據(jù)當(dāng)前時間節(jié)點追溯指定時間內(nèi)的節(jié)點信息并做統(tǒng)計分析，還可以將節(jié)點各環(huán)境參數(shù)以圖表形式顯示，反映環(huán)境參數(shù)的變化趨勢。

2? ? ?關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

2.1? ?串口通訊技術(shù)

串口通訊是指串口按位發(fā)送和接收字節(jié)[7]。串口通訊中重要參數(shù)有端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位[8]。端口號是程序獲取數(shù)據(jù)的串行通訊端口，波特率衡量符號傳輸速率，數(shù)據(jù)位是指傳輸一個信息包實際的數(shù)據(jù)位數(shù)，停止位指單個包的最后一位，校驗位是通訊過程中的一種檢錯方式。本系統(tǒng)中采用傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點的TTL轉(zhuǎn)USB串口將數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，設(shè)備插入電腦時計算機(jī)會確定設(shè)備與計算機(jī)通訊的COM口、波特率等參數(shù)設(shè)置與傳感器傳輸時參數(shù)保持一致。為了在串口通訊中能正確接收數(shù)據(jù)，設(shè)計了數(shù)據(jù)接收校驗流程，如圖3所示。

設(shè)備連接包括傳感器間正確組網(wǎng)、匯聚節(jié)點通過串口連接計算機(jī)，通過是否正確識別COM口來判別設(shè)備連接正常與否。系統(tǒng)初始化包括串口通訊初始化、接收間隔初始化、時間初始化。串口通訊初始化是設(shè)置接收數(shù)據(jù)的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，保證數(shù)據(jù)正常接收，初始化時間間隔限制接收頻率。串口通訊按位發(fā)送數(shù)據(jù)，一條完整數(shù)據(jù)要分多次接收，接收到的數(shù)據(jù)要存儲至緩沖區(qū)并ASCII解碼為字符串，才可以根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志換行符判斷每條數(shù)據(jù)是否接收完畢。數(shù)據(jù)驗核是對接收數(shù)據(jù)的進(jìn)一步檢驗，包括起始字符、數(shù)據(jù)長度等是否正確，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如圖4所示。計算時間間隔判斷是否過濾當(dāng)前數(shù)據(jù)，具體做法是，獲取數(shù)據(jù)接收時間，計算與前一條提交數(shù)據(jù)的時間間隔，根據(jù)間隔更新時間、處理數(shù)據(jù)、清空緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)提交時是新開啟一條線程處理并顯示數(shù)據(jù)，并不會影響下一條數(shù)據(jù)接收。

本系統(tǒng)采用的串口通訊檢驗機(jī)制，保證了終端匯聚節(jié)點到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，并濾除了數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤數(shù)據(jù)及冗余數(shù)據(jù)，有利于系統(tǒng)的正常運行。

2.2? ?數(shù)據(jù)存儲

（1）文件存儲

文件存儲是指數(shù)據(jù)以文件方式存儲。系統(tǒng)采用GMap.net控件處理地理數(shù)據(jù)，將需要的地理數(shù)據(jù)存儲為gmdb格式的文件[9]，在Map層指定地理數(shù)據(jù)類型和來源，利用GMaps類的實例加載管理地理文件數(shù)據(jù)。

（2）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系模型存儲數(shù)據(jù)庫，由一系列行和列組成的表組成，具有使用方便、便于維護(hù)、支持復(fù)雜查詢的特點，適用于數(shù)據(jù)量不是很大、安全性能要求高的數(shù)據(jù)[10]。故對傳感器數(shù)據(jù)、閾值數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行組織存儲。傳感器數(shù)據(jù)表主要存儲維護(hù)傳感器傳輸過來的環(huán)境參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

（3）內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存儲

Redis是非關(guān)系型內(nèi)存數(shù)據(jù)庫[11]，使用鍵值對的存儲方式，可以高性能修改查詢數(shù)據(jù)。Marker層地理標(biāo)記數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分是節(jié)點的地理位置信息，一部分是節(jié)點的狀態(tài)信息。節(jié)點的地理位置信息為地理標(biāo)記的空間數(shù)據(jù)源，將其存儲為Redis的GEO類型，可以實現(xiàn)節(jié)點矢量地理數(shù)據(jù)的快速獲取、渲染和計算。節(jié)點的狀態(tài)信息為標(biāo)記地理的屬性數(shù)據(jù)源，反映當(dāng)前傳感節(jié)點的狀態(tài)，存儲在Redis數(shù)據(jù)庫時，存儲為Hash類型，其表結(jié)構(gòu)如表2所示。

2.3? ?數(shù)據(jù)可視化

2.3.1? ?動態(tài)數(shù)據(jù)圖表

動態(tài)數(shù)據(jù)圖表是在接收傳感器數(shù)據(jù)的同時，以圖表形式實時動態(tài)展示環(huán)境參數(shù)的變化。采用ZedGraph開源繪圖控件，ZedGraph高度靈活，易于擴(kuò)展，可以查詢節(jié)點坐標(biāo)[12]。

ZedGraph繪制曲線主要過程。首先利用GraphPane類設(shè)置圖像面板的標(biāo)題、坐標(biāo)軸名稱和范圍，使用AddCurve方法添加曲線，包括曲線圖例、點坐標(biāo)序列、曲線顏色等參數(shù)[13]。其次，利用ZedGraph實時繪制應(yīng)急現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)曲線：①初始化創(chuàng)建GraphPane類的實例，該實例用于設(shè)置圖表字體、橫軸、縱軸等信息，默認(rèn)繪制所有傳感器節(jié)點的溫度曲線;②更新節(jié)點列表，根據(jù)收到新數(shù)據(jù)的信息，更新傳感器列表，并按節(jié)點名稱更新環(huán)境參數(shù)和接收時間坐標(biāo)對到繪圖節(jié)點列表，更新或者增加新曲線;③確定當(dāng)前選中的環(huán)境參數(shù)和節(jié)點，更新橫軸數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、時間范圍及步長，設(shè)置曲線可見性;④視圖刷新，實現(xiàn)動態(tài)圖的效果，包括橫縱坐標(biāo)和圖表曲線的刷新。

2.3.2? ?多圖層同步顯示

多圖層同步顯示是多圖層空間數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中同步縮放、移動和顯示的技術(shù)。這是快速獲取信息，增加系統(tǒng)可用性的基礎(chǔ)技術(shù)。Gmap.net由三層組成，分別為Map層、Overlay層、矢量數(shù)據(jù)層（Route，Markers，Polygon）。節(jié)點與地圖同步顯示，將節(jié)點遍歷添加至Marker層，將Marker層綁定在Overlay層，然后綁定在Map層，實現(xiàn)節(jié)點標(biāo)記數(shù)據(jù)與底圖數(shù)據(jù)同步。不同底圖放置在不同Map層，節(jié)點標(biāo)記數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量小，直接放在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，切換底圖時清空各Map層標(biāo)記，并將標(biāo)記數(shù)據(jù)綁定在當(dāng)前顯示Map層，實現(xiàn)標(biāo)記數(shù)據(jù)與多底圖之間的同步縮放平移。底圖縮放平移是圖層層級和中心位置的變化，同步底圖顯示層級和底圖中心完成底圖間的同步，重寫Map的PositionChanged和MapZoomChanged函數(shù)，將其他底圖的縮放層級和底圖中心與當(dāng)前圖層保持一致，設(shè)置標(biāo)識標(biāo)記當(dāng)前選中圖層，只有被標(biāo)識的圖層才能進(jìn)行同步操作，避免漫游圖層時圖層間無限調(diào)用而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

3? ? ?系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試選用聯(lián)想品牌計算機(jī)，其基本參數(shù)為i7處理器，8GB電腦內(nèi)存，Windows10操作系統(tǒng)。測試過程中數(shù)據(jù)采集節(jié)點、中繼節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點均部署在福州大學(xué)旗山校區(qū)陽光樓附近（26°03′31.80″N，119°11′33.40″E）。

測試過程中對系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為，系統(tǒng)和傳感器之間的串口通訊，端口號為COM1，波特率為9600bps，數(shù)據(jù)位默認(rèn)為8位，停止位為1，設(shè)置數(shù)據(jù)接收的時間間隔為10秒。

節(jié)點管理界面包括實時數(shù)據(jù)、節(jié)點狀態(tài)、報警區(qū)域、地圖顯示四個版塊。接收到數(shù)據(jù)后，校驗數(shù)據(jù)并將最新接收到的數(shù)據(jù)更新到實時數(shù)據(jù)版塊，實時數(shù)據(jù)版塊按接收時間排序，能迅速獲取最新得到的數(shù)據(jù);根據(jù)設(shè)置的閾值信息，檢測并在節(jié)點狀態(tài)版塊更新節(jié)點當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點環(huán)境參數(shù)超出閾值顯示節(jié)點數(shù)據(jù)狀態(tài)異常，當(dāng)兩節(jié)點距離過近顯示距離狀態(tài)異常;異常的具體信息在報警區(qū)域顯示;實時地圖版塊實時顯示節(jié)點的位置信息并直觀展示節(jié)點狀態(tài)信息，對于異常的節(jié)點在地圖區(qū)域以紅色標(biāo)記顯示，正常節(jié)點以綠色顯示在地圖上，雙擊標(biāo)記選中實時數(shù)據(jù)中對應(yīng)的記錄，便于查看當(dāng)前標(biāo)記的具體信息。

實時曲線反映環(huán)境參數(shù)的變化走勢。傳感器下拉框中包含了所有節(jié)點名稱，確認(rèn)需要繪制曲線的節(jié)點和環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)自動完成繪制，并在接收到數(shù)據(jù)后實時更新曲線。

數(shù)據(jù)查詢可以從數(shù)據(jù)庫中快速獲取需要的數(shù)據(jù)。用戶根據(jù)需求設(shè)置查詢條件，查詢條件包括設(shè)備名稱和回溯時間，設(shè)備名稱有單個節(jié)點和所有節(jié)點兩類選擇，回溯時間以分鐘為單位。在數(shù)據(jù)區(qū)顯示根據(jù)用戶輸入的查詢條件查詢出的所有數(shù)據(jù)。

4? ? ?結(jié)語

本文結(jié)合串口通訊成本低、安全性高、對環(huán)境要求低的特點，設(shè)計了面向應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測的可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠成功接收以LoRa作為無線接入技術(shù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)，在串口通訊過程中無丟包現(xiàn)象;直觀地展示節(jié)點的位置和屬性信息;感知數(shù)據(jù)的異常信息并及時報警。測試過程中系統(tǒng)可以可靠、穩(wěn)定、流暢地運行。針對應(yīng)急現(xiàn)場出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)阻斷情況，本系統(tǒng)可與自組無線傳感網(wǎng)結(jié)合，實時接收、分析可視化應(yīng)急區(qū)域的環(huán)境信息，利用節(jié)點的空間分布和異常信息了解整個區(qū)域的受災(zāi)情況，對于提供決策支持、開展應(yīng)急工作、提高應(yīng)急效率具有積極作用。

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