郭雨　胡勝利　楊同滿

摘要：針對目前地下水監(jiān)測不足造成的各種問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。首先對物聯(lián)網(wǎng)的概念和三層架構(gòu)進行了介紹，然后在三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)整體設(shè)計方案。詳細介紹了系統(tǒng)的遠程監(jiān)測端、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心的設(shè)計，最后給出了系統(tǒng)工作原理和主要功能。目前該系統(tǒng)已投入到具體的應用當中。實踐證明，該系統(tǒng)具有良好的可擴展性和應用性，為相關(guān)部門節(jié)省了大量人力、物力、財力，得到了相關(guān)領(lǐng)導的充分肯定。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；GPRS；虛擬專用網(wǎng)；無線傳輸；地下水監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）28-0197-03

Design of Internet of Things-based Groundwater Remote Monitoring System

GUO Yu1，HU Sheng-li1，YANG Tong-man2

（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.College of Meteorology and Oceanography，PLA Univ.of Sci.& Tech，Nanjing 211101，China）

Abstract： Being aimed at the problem of groundwater monitoring at present，this paper presents a design scheme of remote monitoring based on Internet of Things.Firstly，the concept of Internet of Things and its three layer architecture are introduced，and the overall design scheme of system based on the three architecture is put forward.The design of remote monitoring，wireless transmission network and monitoring center of system are introduced in detail.The paper gives Working principle and main functions of system at last.At present，the system has been put into concrete application.It is proved that the system has excellent expandsibility and applicability.It has saved lots of manpower，material resources and financial resources for relevant departments.

Key words： internet of things； GPRS；virtual private network；wireless transmission；groundwater monitoring

我國是一個水資源嚴重缺乏的國家，雖然總儲量占世界第六位，但人均水資源卻是世界人均水資源的1/4。地下水資源的合理利用和開采對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境都起著至關(guān)重要的作用。改革開放以來，我國的社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活水平提高的同時也伴隨著地下水資源的大量開采，再加之水資源的污染、有關(guān)部門缺乏合理規(guī)劃和有效監(jiān)管，就安徽本地來說，已經(jīng)出現(xiàn)了地區(qū)性水位下降和枯竭等問題。從而引發(fā)了部分地區(qū)地面沉降、土壤鹽漬化和地裂縫等情況，對地下水資源的有效監(jiān)測已迫在眉睫。

文獻[1]提出了基于GPRS（General Packet Radio Service）-Internet網(wǎng)絡(luò)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[2]提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水資源監(jiān)測系統(tǒng)。本文利用物聯(lián)網(wǎng)的各種特點和優(yōu)勢，以物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)為設(shè)計原則，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1物聯(lián)網(wǎng)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、等信息傳感設(shè)備，遵守約定的協(xié)議，把物理實體與物聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，實現(xiàn)對物體的、定位、跟蹤、智能化識別、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的三成架構(gòu)

感知層是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。主要包括一些基本感應器件和感應器件組成的網(wǎng)絡(luò)這兩部分。感知層我們采用超聲波流量計作為采集終端。

網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層獲得的數(shù)據(jù)長距離傳輸?shù)膯栴}。它主要功能是接入傳輸，完成數(shù)據(jù)的傳遞和交換，一般分為接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)兩種類型。本系統(tǒng)采用的是GPRS+VPN的無線傳輸方式，在保證數(shù)據(jù)安全性的同時又提高了實時性。

應用層解決是數(shù)據(jù)處理和人機界面的問題。網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被應用層處理并通過各種設(shè)備與人交互。系統(tǒng)中利用.NET技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)軟件平臺，提供了實時和歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報表和設(shè)備報警等相關(guān)功能。其三層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由遠程監(jiān)控終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心三部分組成，分別對應著物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所示：

2.1感知層

數(shù)據(jù)采集主要通過各類傳感器，對地下水的水位、水溫、水質(zhì)等信息進行采集，通過MCU微控制器對采集的信號，比如電流、電壓等數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過標準RS232/485串口傳輸?shù)浆F(xiàn)場的從GPRS通信設(shè)備上，GPRS模塊我們采用SIEMENS公司的MC39I模塊，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)加密處理后傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)主要擔當著各個監(jiān)測點和監(jiān)測終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。近年來，隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和發(fā)展，其在數(shù)據(jù)傳輸方面的應用也越來越廣泛。GPRS網(wǎng)絡(luò)幾乎無縫覆蓋和按流量、話費等資費方式收費的優(yōu)點，使其應用在地下水資源無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)上的性價比和發(fā)展前景都是巨大的。本系統(tǒng)采用GPRS+VPN虛擬專用網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、高效的傳輸。

2.2.1 GPRS通信技術(shù)

GPRS是建立在GSM（Global System for Mobile Communication）網(wǎng)絡(luò)之上，為用戶提供高速分組交換數(shù)據(jù)的新網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。它是在GSM原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了一層網(wǎng)絡(luò)而組成的，網(wǎng)絡(luò)中增加了GPRS服務(wù)支持節(jié)點SGSN（Serving GPRS Support Node）、GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN（Gateway GPRS Support Node）、計費網(wǎng)關(guān)（可選）、邊緣網(wǎng)關(guān)（可選）等實體，同時通過GPRS骨干網(wǎng)實現(xiàn)各實體之間的連接[3]。該網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點：

1）高速數(shù)據(jù)傳輸

GPRS網(wǎng)絡(luò)采用的是分組交換技術(shù)，通信時數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達到171.2kb/s。實際傳輸速率也可達到40kb/s，可以滿足各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)囊?，具有良好的實時處理和響應能力。

2）實時在線

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各監(jiān)測點的從GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)保持著實時交互的能力。滿足了各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集和實時響應監(jiān)控中心發(fā)來的各種控制指令，實時監(jiān)測各監(jiān)測點的工作狀態(tài)和在線狀態(tài)。

3）按量計費和覆蓋范圍廣

各遠端監(jiān)測點的從GPRS設(shè)備只要正常開機就始終附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，按照接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量來收取費用，在沒有數(shù)據(jù)包傳遞時，即使在線，也不會消耗任何費用，一定程度上降低的項目成本。另外水資源監(jiān)測系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集的跨度比較大，要求系統(tǒng)擴展不受地區(qū)的限制，GPRS網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋范圍很廣，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2.2.2 VPN虛擬專用網(wǎng)

虛擬專用網(wǎng)VPN（Virtual Private Network）是一種在公共通信基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建的虛擬專用或私有網(wǎng)，通過一個公共網(wǎng)絡(luò)建立一個臨時的、安全的連接，是一條穿過混亂公用網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的隧道，可以被認為是一種從公共網(wǎng)絡(luò)中隔離出來的網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)測中心的主GPRS模塊和各監(jiān)測點的從GPRS模塊接入VPN網(wǎng)絡(luò)后，中國移動都會為其分配一個固定的IP地址。各設(shè)備可以通過PPP、TCP/IP、UDP等協(xié)議直接進行數(shù)據(jù)交互，無需地址轉(zhuǎn)換。另外VPN使用加密傳隧協(xié)議，阻止截聽和嗅探來保證數(shù)據(jù)安全性。并且為防止身份偽造，要求使用者在使用時發(fā)送身份驗證，數(shù)據(jù)完整性和安全性得到充分的保證。

本系統(tǒng)中GPRS網(wǎng)絡(luò)下VPN的消息流程如下：

2.3應用層

該層主要為監(jiān)測中心軟件的設(shè)計。監(jiān)控中心軟件以.NET為開發(fā)語言，采用B/S三層架構(gòu)，分別為表示層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL），安全性高并且具有良好的可擴展性。結(jié)構(gòu)如下所示：

表示層：表示層主要通過業(yè)務(wù)邏輯層的類和對象為用戶提供可視化的接口和界面，秉承所見即所得的原則，主要包括等水位線生成、電子地圖、參數(shù)設(shè)置、報表和報警等功能。

數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層用于存儲和修改項目下所需數(shù)據(jù)和參數(shù)。包括監(jiān)測點實時傳輸過來并被前置機處理存儲的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫的配置參數(shù)、當前數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表。通過數(shù)據(jù)訪問組件提供數(shù)據(jù)訪問接口，隱藏訪問數(shù)據(jù)庫的細節(jié)。

業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯層完成與數(shù)據(jù)訪問層的數(shù)據(jù)交互的操作。該系統(tǒng)中主要通過監(jiān)測中心端的前置機完成數(shù)據(jù)處理并存儲在數(shù)據(jù)庫中。主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)存儲處理和監(jiān)測井端報警控制等。通過數(shù)據(jù)庫類庫中的Connection、Dataset和DataReader類用以訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)集中送往表示層展現(xiàn)。

3系統(tǒng)工作原理和主要功能

3.1工作原理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用全雙工通信方式。遠程監(jiān)測端的流量計等采集設(shè)備通過DTU微處理機芯片對采集的信號進行A/D處理，將處理的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式通過標準RS232/485串口傳輸?shù)奖O(jiān)測端的從GPRS通信模塊上，從GPRS模塊完成激活與移動基站進行連接，使用TCP/IP和PPP協(xié)議將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包封裝、加密處理后傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上。基站的SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN進行通信，GGSN對分組的資料進行相應處理。網(wǎng)絡(luò)端由于采用GPRS+VPN方式，監(jiān)測中心的主GPRS模塊可以直接對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行解析，將解包的數(shù)據(jù)送往監(jiān)測中心端的前置機，通過RS232/485串口存入數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件從而對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理展示。

系統(tǒng)工作流程如下：

3.2主要功能

1）實時信息監(jiān)測模塊

監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)測中心端的前置機向各個遠程監(jiān)測點發(fā)送AT指令，監(jiān)測點響應指令或主動對水位、水溫、監(jiān)測點工作狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)和信道是否正常進行監(jiān)測，通過從GPRS模塊將各種數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)送往監(jiān)測中心。監(jiān)測中心將發(fā)來的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型進行區(qū)分并儲存在數(shù)據(jù)庫相應的表中。監(jiān)測中心能夠?qū)崟r繪制水位柱狀圖、流量曲線圖等過程曲線。它是整個系統(tǒng)的核心模塊。

2）數(shù)據(jù)分析模塊

通過對數(shù)據(jù)庫中的歷史和實時數(shù)據(jù)進行分析，繪制相關(guān)的曲線圖。根據(jù)監(jiān)測端的數(shù)據(jù)實時繪制水位等值線，用來判斷部分地區(qū)漏斗狀態(tài)的變化，為相關(guān)管理機構(gòu)和決策者提供參考幫助。

繪制等值線采用的是美國Golden Software公司編制的surfer軟件，它能夠輕松制作基底圖、等值線圖、分類數(shù)據(jù)圖、剖面圖、3D曲線圖等，已成為氣象、地質(zhì)、水位水利、土地管理工作者必備的專業(yè)成圖軟件。

3）水位流量查詢

取水查詢可以進行多個用戶的水量查詢，也可以查詢單個用戶的用水情況。多用戶的查詢，系統(tǒng)提供日、周、月、年查詢方式。用戶從前臺軟件的下拉列表框中選擇需要查詢的類型，規(guī)定查詢需要的時間段后，用水單位的取水流量情況會自動查詢出來，同時生成柱狀圖。

4 結(jié)束語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，利用.NET技術(shù)和GPRS+VPN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了監(jiān)控中心端的設(shè)計和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建，對遠程監(jiān)測井和地下水可以實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測，滿足了無需現(xiàn)場工作人員也可以準備監(jiān)測地下水數(shù)據(jù)變化的需要。為水利決策者提供了準確、實時、操作便捷的數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力、物力、財力。相信隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)會越來越完善，在其他行業(yè)也會得到越來越多的應用。

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