盧 冶, 徐 明, 蘇 勇

(江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

伴隨農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化的不斷發(fā)展，農(nóng)村環(huán)境中的污染因素逐年增多。農(nóng)村環(huán)境連片整治是指，以解決區(qū)域性突出環(huán)境問題為目的，對地域空間上相對聚集在一起的多個村莊實施同步、集中整治，使環(huán)境問題得到有效解決的治理方式。開展農(nóng)村環(huán)境連片整治，既是實施城鄉(xiāng)發(fā)展一體化戰(zhàn)略、全面提升城鄉(xiāng)建設(shè)水平的重要舉措，也是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要載體。對于改善農(nóng)民生產(chǎn)生活條件，優(yōu)化農(nóng)村環(huán)境面貌，提升農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量有著十分重要的作用。

為了使農(nóng)村環(huán)境連片整治工作出成效、上水平，需要根據(jù)各地農(nóng)村的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量的提高。以某公司在無錫市管轄的100多處農(nóng)村污水處理站為例，地理位置分散，擔(dān)負(fù)著農(nóng)村污水處理的重要任務(wù)。為了適應(yīng)污水處理的信息化發(fā)展趨勢，提高現(xiàn)場人員的管理水平和工作效率，必須構(gòu)建一套適合分散型污水處理站信息管理及生產(chǎn)運(yùn)行的自動化、精確化、智能化的整體解決方案：① 對現(xiàn)場設(shè)備實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)對系統(tǒng)水泵和風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程智能控制；② 將每日運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到管理平臺上，并根據(jù)日、月、年查詢運(yùn)行設(shè)備的歷史日志，超出閾值會報警，并及時發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人的手機(jī)上；③ 統(tǒng)計各污水處理站現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行時間和故障原因，并將故障信息及時發(fā)送到管理平臺和相關(guān)責(zé)任人的手機(jī)上。

面對分散的組織架構(gòu)和特定的運(yùn)行模式，本文在 Spring[1]和Hibernate[2]框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代的Java Web應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——JSF[3-4]，采用基于B/S結(jié)構(gòu)的多層架構(gòu)設(shè)計思想，設(shè)計并開發(fā)了農(nóng)村環(huán)境連片整治長效管理感知平臺(以下簡稱“長效管理感知平臺”)，實現(xiàn)了農(nóng)村水務(wù)管理工作從傳統(tǒng)手工模式向計算機(jī)管理模式的轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

由圖1看出，各污水處理站的現(xiàn)場設(shè)備上安裝的傳感器構(gòu)成了長效管理感知平臺的感知層，以實現(xiàn)污水處理過程中對監(jiān)測指標(biāo)的全面感知?；贕PRS[5]的傳輸層保證了采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸。感知層采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸層傳輸?shù)酵ㄐ欧?wù)器并存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。本文所做的工作就是基于前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計、判斷設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并根據(jù)結(jié)果對現(xiàn)場設(shè)備實施智能控制，以及相關(guān)報警和故障信息的傳達(dá)。

圖1 感知平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

長效管理感知平臺分為7個功能模塊：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、檢測控制、故障處理、數(shù)據(jù)報表和短信發(fā)送。

(1) 數(shù)據(jù)通信模塊。主要完成各項感知數(shù)據(jù)的接收、解析和發(fā)送，為智能化、信息化管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)。具體任務(wù)包括通信設(shè)置、報文設(shè)置、數(shù)據(jù)接收和指令發(fā)送。通過設(shè)置GPRS通信參數(shù)，連接GPRS網(wǎng)絡(luò)；設(shè)置與污水站設(shè)備通信的數(shù)據(jù)報文格式，接收從污水站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，并解析報文將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，還可以將設(shè)備開啟與關(guān)閉的控制指令回傳。目前，總共 5 個監(jiān)測指標(biāo)，包括：進(jìn)出水溫T(℃)、pH值、氧化還原電位ORP(V)、液位計值LS、溶解氧DO(mg/L)，并要求預(yù)留接口采集進(jìn)出污水化學(xué)需氧量COD(mg/L)和氨氮NH4-N(mg/L)。

(2) 檢測控制模塊。包括實時監(jiān)控和站點監(jiān)控功能。實時監(jiān)控基于Google地圖[6]顯示所轄區(qū)縣各污水站的運(yùn)行狀況，綠色標(biāo)記表示正常運(yùn)行，紅色標(biāo)記表示停止運(yùn)行，黃色標(biāo)記表示待修狀態(tài)。站點監(jiān)控對前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計、判斷設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并根據(jù)結(jié)果對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行智能控制?，F(xiàn)場設(shè)備包括：① 人工格柵，清理時間的設(shè)置、自動提示及報警；② 調(diào)節(jié)池，根據(jù)液位計值的高低自動或手動啟動和停止污水提升泵；根據(jù)液位計值的持續(xù)時間和設(shè)備狀態(tài)自動報警；③ 厭氧池中安放有ORP、pH和溫度三類傳感器，根據(jù)設(shè)定的取值范圍自動報警及人工解除，如果1小時后還未恢復(fù)至正常值范圍則重復(fù)報警；④ 接觸氧化池，射流曝氣機(jī)的開閉可以根據(jù)時間或者溶解氧濃度進(jìn)行控制，并依據(jù)溶解氧濃度的取值范圍自動報警及人工解除；⑤ 沉淀池，根據(jù)時間自動或者手動地控制污泥回流泵的啟動和停止；⑥ 所有動力設(shè)備的報警，需要指明具體的報警設(shè)備，其中電流過載也視為報警。

(3) 故障處理模塊。實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)等生產(chǎn)異?；蚬收系奶崾?、預(yù)警，記錄故障處理方案及處理結(jié)果并輸出故障日志。

(4) 數(shù)據(jù)報表模塊。統(tǒng)計水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障信息、處理信息、以及設(shè)備的運(yùn)行時間等。

(5) 系統(tǒng)管理模塊。包括權(quán)限管理和系統(tǒng)配置兩個功能。權(quán)限管理實現(xiàn)了對于整個感知平臺用戶的動態(tài)管理，并且為指定用戶分配指定的角色，以實現(xiàn)不同用戶對于系統(tǒng)不同模塊的不同操作，并最終通過JSF相關(guān)組件以樹型結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同用戶可操縱的菜單。系統(tǒng)配置則包括污水站點設(shè)置、管理員設(shè)置、以及顯示設(shè)置等。

(6) 短信發(fā)送模塊。完成故障信息的通知，并提供已發(fā)送信息的明細(xì)查詢。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)架構(gòu)來說，長效管理感知平臺以Spring和Hibernate框架為基礎(chǔ)，采用了基于B/S結(jié)構(gòu)的多層架構(gòu)設(shè)計思想，結(jié)合新一代的Java Web應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——JSF，把系統(tǒng)實現(xiàn)為頁面表示層、控制層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)持久層5個層次，Web服務(wù)器為Tomcat。

2.1 JSF框架

JSF[3]全稱JavaServer Faces，是新一代的Java Web應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它吸收了很多Java Servlet、JavaServer Pages(JSP)以及其他的Web應(yīng)用框架的特性。JSF為Web應(yīng)用開發(fā)定義了一個事件驅(qū)動的、基于組件的模型。

JSF試圖從網(wǎng)頁設(shè)計人員、應(yīng)用程序設(shè)計人員、組件開發(fā)人員等不同角度為應(yīng)用提供解決方案，讓不同的角色分工可以彼此合作又不互相干擾[7]。從網(wǎng)頁設(shè)計人員的角度看，JSF像是提供了一套新版本的HTML標(biāo)簽，但它是動態(tài)的，可以與后端的動態(tài)程序結(jié)合，而不需要理會后端的動態(tài)部分，甚至不需要使用JSTL標(biāo)簽也可以動態(tài)地呈現(xiàn)內(nèi)容。從應(yīng)用程序設(shè)計人員的角度看，JSF提供了一個與傳統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)相類似的模型，基于事件驅(qū)動而不必關(guān)心HTTP的處理細(xì)節(jié)。還可以直接在集成開發(fā)環(huán)境上拖拽組件，設(shè)定組件的屬性，甚至還為程序設(shè)計人員處理了組件與字符串不匹配的轉(zhuǎn)換問題。從UI組件開發(fā)人員的角度看，他們可以設(shè)計通用的UI組件，只要定義好相關(guān)的屬性選項，就不用再受到網(wǎng)頁設(shè)計人員或應(yīng)用程序設(shè)計人員的干擾，從而提高了開發(fā)效率。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

JSF、Spring與Hibernate有各自的優(yōu)點與不足，將這三個框架有效整合在一起，能夠有效搭建三層或多層系統(tǒng)，保證了清晰的職責(zé)劃分以及可維護(hù)性和可擴(kuò)展性[8]。

長效管理感知平臺劃分為：頁面表示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)持久層，控制層貫穿于整個應(yīng)用。頁面表示層基于前端采集的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過報文轉(zhuǎn)換并以Web頁面的形式呈現(xiàn)；同時還實現(xiàn)了頁面導(dǎo)航和數(shù)據(jù)驗證等功能。JSF非常適合基于MVC的表示層架構(gòu)，它為行為和表示之間提供了清晰的分離[9]。業(yè)務(wù)層從頁面表示層接受請求，集中處理大部分業(yè)務(wù)邏輯，并作為訪問數(shù)據(jù)層的中介。數(shù)據(jù)訪問層使用DAO設(shè)計模式定義平臺各個模塊的業(yè)務(wù)接口，并定義它的實現(xiàn)類DAOImpl，通過DAO和對應(yīng)模塊的域?qū)ο?，對?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查操作。該模式不僅將前端技術(shù)與后端技術(shù)完全分離，還能夠保證源碼簡練和完全面向?qū)ο箫L(fēng)格。數(shù)據(jù)持久層使用Hibernate框架。Hibernate是一個面向Java環(huán)境的對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射工具[10]，其特點是輕量級封裝，避免引入過多復(fù)雜的問題，調(diào)試容易[11]等。在程序中Hibernate充分利用提供的O/R映射功能，通過具體類與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。

Spring是服務(wù)于所有層面的應(yīng)用程序，提供了Bean的配置基礎(chǔ)、AOP的支持、JDBC提取框架、抽象事務(wù)支持等，還有效地組織了系統(tǒng)中的中間層對象，消除了組件對象創(chuàng)建與使用耦合緊密的問題。在系統(tǒng)的多層訪問控制邏輯架構(gòu)當(dāng)中，業(yè)務(wù)處理流程和數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)處理流程和數(shù)據(jù)流程

2.3 Google地圖

Google 地圖[6](Google Maps)，前稱Google Local，是Google公司向全球提供的電子地圖服務(wù)，包括局部詳細(xì)的衛(wèi)星照片。它提供三種視圖：① 矢量地圖(傳統(tǒng)地圖)，可提供政區(qū)和交通以及商業(yè)信息；② 不同分辨率的衛(wèi)星照片(俯視圖或45°圖像，跟Google地球上的衛(wèi)星照片基本一樣)；③ 地形圖，可以用以顯示地形和等高線。

Google Maps API是Google公司自己推出的編程API，允許對Google Maps感興趣的任何程序設(shè)計人員自行開發(fā)基于Google Maps的服務(wù)。該API提供了大量實用工具用以處理地圖，并通過各種服務(wù)向地圖添加內(nèi)容，可以在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建功能全面的地圖應(yīng)用程序[12]。目前，Google Maps API的最新版本是V3，可以免費使用，并且不需要注冊Google Maps API Key。

3 系統(tǒng)特色功能分析與設(shè)計

系統(tǒng)是在JavaEE平臺上開發(fā)，采用MyEclipse[13]為開發(fā)工具，SQL Server 2005為數(shù)據(jù)庫，Tomcat為Web服務(wù)器。Web頁面結(jié)合JSF框架實現(xiàn)，同時集成Spring和Hibernate框架對長效管理感知平臺進(jìn)行組件化和層次化設(shè)計和開發(fā)。

3.1 實時監(jiān)控

實時監(jiān)控服務(wù)是基于Google Maps API實現(xiàn)的。頁面顯示無錫市周邊區(qū)縣地圖，圖中標(biāo)記所管轄的各農(nóng)村污水站，標(biāo)記使用的是標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，其中綠色表示正常運(yùn)行，紅色表示停止運(yùn)行，黃色表示待修狀態(tài)。

為了更好地讓用戶體驗，我們采用Ajax[14]技術(shù)從后臺數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，然后實時地顯示在地圖上。Ajax的工作原理相當(dāng)于在客戶端和服務(wù)器之間加了一個Ajax引擎。這樣，并不是所有的請求都會提交給服務(wù)器。只有確實需要從服務(wù)器端讀取新數(shù)據(jù)時才會由客戶端通過JavaScript調(diào)用Ajax引擎向服務(wù)器端發(fā)起HTTP請求[15]。由于它并不等待請求的響應(yīng)，所以仍然可以繼續(xù)瀏覽或交互。

信息窗口中顯示當(dāng)前污水站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和檢測指標(biāo)。目前，動力設(shè)備是指曝氣機(jī)、污水泵和回流泵。檢測指標(biāo)包括進(jìn)出水溫、pH、ORP、LS和DO。如果站點被標(biāo)記成黃色，那么表示它的某個檢測指標(biāo)超出了閾值，而且該指標(biāo)值將以橙色字體顯示。同時，信息窗口還提供了設(shè)備運(yùn)行記錄和檢測數(shù)據(jù)歷史記錄的鏈接。為了便于今后擴(kuò)展，動力設(shè)備和檢測指標(biāo)分別預(yù)留50%的空間。實時監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3 實時監(jiān)控畫面

3.2 站點監(jiān)控

站點監(jiān)控服務(wù)顯示某個污水站的詳細(xì)信息，包括水質(zhì)信息、設(shè)備狀態(tài)等，同時還能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備實施智能控制。如圖4所示，頁面提供區(qū)縣和它所管轄的站點選擇，同樣基于Ajax技術(shù)從后臺數(shù)據(jù)庫讀取實時檢測數(shù)據(jù)。

圖4 站點監(jiān)控畫面

除了顯示上述實時數(shù)據(jù)以外，還以表格的形式顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的儀表取值范圍。人工格柵以天為單位提示上次確認(rèn)的時間。如果延遲一天未確認(rèn)清理，會呈現(xiàn)報警狀態(tài)，經(jīng)過人工確認(rèn)后通過解除報警按鈕取消報警。其它動力設(shè)備的處理同上。同時，為了增加動態(tài)測量值的曲線顯示，引入了 Ajax前端框架Ext-JS[16]。Ext-JS最杰出之處在于，它開發(fā)了一系列非常簡單易用的控件及組件，只需要使用這些組件就能夠?qū)崿F(xiàn)豐富多彩的UI開發(fā)。

上述所有數(shù)據(jù)的顯示和智能控制都離不開數(shù)據(jù)通信模塊。它通過預(yù)先設(shè)置GPRS通信參數(shù)、數(shù)據(jù)報文格式，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)，接收從污水站傳送過來的數(shù)據(jù)包，并解析報文存入數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)操作員動作指令向污水站發(fā)送動力設(shè)備開啟與關(guān)閉的控制指令。

4 結(jié) 語

本文針對農(nóng)村環(huán)境連片整治過程中污水處理信息化發(fā)展趨勢中亟須解決的問題和水務(wù)管理工作的特殊要求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于JSF、Spring和Hibernate的農(nóng)村環(huán)境連片整治長效管理感知平臺。其優(yōu)點在于JSF良好的組件化設(shè)計提升了Web界面品質(zhì)和開發(fā)效率；基于GPRS的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，以及短信發(fā)送模塊，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的智能化控制。這些系統(tǒng)特點為農(nóng)村水務(wù)管理工作進(jìn)入新的層次、推動江蘇省農(nóng)村環(huán)境連片整治工作出成效奠定了基礎(chǔ)。

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