摘 要：傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)存在人工取樣困難、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通過(guò)4G DTU模塊將數(shù)據(jù)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，再傳輸至云平臺(tái)上的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、分析和管理，以及對(duì)系統(tǒng)的管理。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理，保證采集的數(shù)據(jù)均可順利上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的誤判率最高不超過(guò)0.39%，能夠穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)，提高了水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息化水平，對(duì)我國(guó)的水土保持工作具有重要意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水土保持；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程通信；云平臺(tái)；B/S架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

根據(jù)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代水土保持工作的意見(jiàn)》，要深入推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”，提高監(jiān)管精準(zhǔn)化、智能化水平，推進(jìn)云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)與水土保持的深度融合，提高管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化水平[1-2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者也做了許多研究。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于紅外光傳感器的泥沙在線監(jiān)測(cè)方法，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)了基于4G的徑流泥沙遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了數(shù)字水土保持智慧管理平臺(tái)，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的水土保持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上述研究成果對(duì)推進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)具有促進(jìn)作用，但仍存在諸多問(wèn)題。水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備部署地點(diǎn)一般較偏僻，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程一旦遇到信號(hào)較差等情況，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)上報(bào)失敗，致使數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，上述方法存在智慧化程度不高、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息難以共享和調(diào)用、系統(tǒng)無(wú)法支撐業(yè)務(wù)需求等問(wèn)題。

針對(duì)當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)領(lǐng)域存在的問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用4G DTU將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)，并利用部署在云平臺(tái)服務(wù)器上的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、管理等功能，為科研人員提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于云平臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、歷史數(shù)據(jù)管理、設(shè)備信息顯示、設(shè)備用戶(hù)管理等功能。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。其包含硬件設(shè)備層、傳輸資源層、服務(wù)器資源層、系統(tǒng)功能層。

各層的具體功能如下：

（1）硬件設(shè)備層由泥沙含量傳感器、水位傳感器、溫度傳感器等硬件設(shè)備組成，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化采集與處理。

（2）傳輸資源層由4G DTU模塊和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組成。硬件設(shè)備層的傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊處理后，再通過(guò)4G DTU模塊將數(shù)據(jù)信息上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。Web應(yīng)用服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間建立遠(yuǎn)程連接通道，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

（3）服務(wù)器資源層由阿里云上的Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)由硬件設(shè)備層采集并由傳輸資源層上傳的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)管理信息，Web應(yīng)用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢(xún)等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理服務(wù)和系統(tǒng)管理服務(wù)。

（4）系統(tǒng)功能層以B/S架構(gòu)的方式提供水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析和管理，以及對(duì)系統(tǒng)的管理，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)層。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體需求進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、告警管理、個(gè)人中心5大功能模塊。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

（1）設(shè)備數(shù)據(jù)管理模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)列表管理模塊、數(shù)據(jù)條件管理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊可以把遠(yuǎn)程采集設(shè)備最新采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化直觀顯示；數(shù)據(jù)列表管理模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)界面通過(guò)列表形式進(jìn)行顯示，還具備條件查詢(xún)和導(dǎo)出功能；數(shù)據(jù)條件管理模塊具備按照起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)的功能；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊以日統(tǒng)計(jì)、月統(tǒng)計(jì)、年統(tǒng)計(jì)3種時(shí)間維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以泥沙含量、徑流量、水位3種類(lèi)型維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠展示數(shù)據(jù)在不同時(shí)間維度的統(tǒng)計(jì)變化情況。數(shù)據(jù)曲線顯示界面如圖3所示。

（2）設(shè)備管理模塊由設(shè)備分布模塊、設(shè)備信息模塊、設(shè)備配置模塊組成。設(shè)備分布模塊在地圖上根據(jù)GPS坐標(biāo)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，并通過(guò)彈出對(duì)話框的方式展現(xiàn)設(shè)備的基本信息；設(shè)備信息模塊具備設(shè)備信息的顯示、查詢(xún)、修改和刪除功能；設(shè)備配置模塊的主要功能是分配設(shè)備，超級(jí)管理員把設(shè)備分配給管理員，管理員把設(shè)備分配給普通用戶(hù)。設(shè)備管理界面如圖4所示。

（3）系統(tǒng)管理模塊包括用戶(hù)管理模塊、角色分配模塊。用戶(hù)管理模塊可以對(duì)每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行信息修改、信息刪除等操作。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了3種角色：超級(jí)管理員、管理員和普通用戶(hù)。角色說(shuō)明及功能權(quán)限見(jiàn)表1。角色分配模塊為每個(gè)用戶(hù)分配相應(yīng)的角色，使其具有相應(yīng)的系統(tǒng)操作權(quán)限，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)3級(jí)權(quán)限管理。

（4）告警管理模塊包括實(shí)時(shí)告警顯示模塊、歷史告警管理模塊。實(shí)時(shí)告警顯示模塊把當(dāng)前告警的設(shè)備和告警信息以列表的形式呈現(xiàn)，人們可以查看告警的詳細(xì)信息，也可以解除告警；歷史告警管理模塊記錄該用戶(hù)名下所有設(shè)備的告警情況，支持按照設(shè)備名稱(chēng)進(jìn)行搜索。

（5）個(gè)人中心模塊包括個(gè)人信息模塊、密碼修改模塊。個(gè)人信息模塊可以查看和編輯用戶(hù)個(gè)人信息；密碼修改模塊支持對(duì)舊密碼進(jìn)行修改，保障用戶(hù)的使用安全。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)的載體，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與規(guī)范管理。為了保證數(shù)據(jù)的有效性和完整性，同時(shí)方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析，建立水土保持信息數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。

水土保持信息數(shù)據(jù)庫(kù)不但要能夠保存遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳的大量數(shù)據(jù)信息，還要能夠支撐系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能需求，包括對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)用戶(hù)的管理以及數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際業(yè)務(wù)需要，設(shè)計(jì)設(shè)備實(shí)體、數(shù)據(jù)實(shí)體、用戶(hù)實(shí)體、告警實(shí)體、公司實(shí)體、角色實(shí)體、日志實(shí)體。

由于每臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備都會(huì)上傳大量的數(shù)據(jù)信息，如果把所有設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)信息全部存儲(chǔ)到一張數(shù)據(jù)庫(kù)表中，會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)查詢(xún)效率。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息時(shí)，針對(duì)每一臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備建立一張數(shù)據(jù)庫(kù)表tb_devicedata_xxxx（xxxx為設(shè)備編號(hào)），使得遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象之間實(shí)現(xiàn)完全映射。

4 遠(yuǎn)程通信故障處理

設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中，DTU模塊采用EC20，并通過(guò)4G方式傳輸，當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差時(shí)，數(shù)據(jù)無(wú)法正常發(fā)送，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包，甚至出現(xiàn)通信模塊掉線、設(shè)備無(wú)法正常連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)有FLASH存儲(chǔ)芯片，并在DTU模塊發(fā)送程序中做了相應(yīng)的處理。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用加入ACK校驗(yàn)的發(fā)送方式，結(jié)合“AT+QMTPUB=0，0，0，0”模式進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)基于回顯信息“+QMTPUB：0，1，0”進(jìn)行判斷，防止出現(xiàn)假應(yīng)答現(xiàn)象，確保物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)一定能夠接收到數(shù)據(jù)[9-10]。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

當(dāng)水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，首先將DTU復(fù)位，之后連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。如果沒(méi)有連接成功，便一直嘗試重連；如果連接成功，判斷是否存在歷史數(shù)據(jù)。如果存在歷史數(shù)據(jù)，則優(yōu)先發(fā)送歷史數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有歷史數(shù)據(jù)，或者歷史數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成，則發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中如果出現(xiàn)發(fā)送失敗的情況，則重新進(jìn)行DTU復(fù)位。

在DTU復(fù)位、連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、歷史數(shù)據(jù)發(fā)送等過(guò)程中，新產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也存入FLASH芯片中作為歷史數(shù)據(jù)，保證采集的數(shù)據(jù)不會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中丟失。

5 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)目前已在北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司投入使用，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多處水土保持科技示范園區(qū)以進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)工作。以河北省保定市易縣清西陵水土保持科技示范園為例，該水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)部署了2臺(tái)水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)備上安裝有泥沙含量傳感器、水位高度傳感器，它們分別測(cè)量泥沙含量、徑流量等數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝情況如圖7所示。

2023年7月，京津冀地區(qū)迎來(lái)特大暴雨。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)顯示，保定市易縣7月30日有較大降雨量。對(duì)7月30日7：00—18：00徑流過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)（表2）進(jìn)行分析（以h為單位求泥沙含量的平均值）。

由表2可知，泥沙含量隨著徑流過(guò)程中徑流量的增大而增大，隨著徑流量的減小而減小。徑流量、泥沙含量變化如圖8所示。本次徑流過(guò)程中，泥沙含量和徑流量呈正相關(guān)關(guān)系。

本文的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)徑流量和泥沙含量的變化情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的變化關(guān)系，工作人員能夠及時(shí)做出預(yù)判，以防造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)過(guò)程中信息化程度低、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)性好的基于物聯(lián)網(wǎng)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)4G中DTU模塊將水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到云數(shù)據(jù)庫(kù)中，在前臺(tái)界面顯示，供用戶(hù)進(jìn)行查看、分析。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了泥沙含量、輸沙量、徑流量、溫度等數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量和采集，對(duì)我國(guó)的水土保持工作具有促進(jìn)作用。

注：本文通訊作者為肖愛(ài)平。

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作者簡(jiǎn)介：趙海濤（1996—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苎b備。

肖愛(ài)平（1971—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄苎b備。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-03-11