基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉海濱 紀(jì)文強(qiáng)

（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉海濱 紀(jì)文強(qiáng)

（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)合理部署在被控水域，自動(dòng)監(jiān)測(cè)水體環(huán)境，利用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦芸刂行?；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)σ欢ǔ潭葍?nèi)的水體異常情況進(jìn)行快速處理，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的高度自動(dòng)化管控。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)，無(wú)線(xiàn)傳感器，嵌入式技術(shù)

引 言

水是生命的源泉，也是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要資源。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量工業(yè)廢水的不當(dāng)處理嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐乃Y源環(huán)境。水質(zhì)監(jiān)測(cè)與處理手段的開(kāi)發(fā)對(duì)于保護(hù)水資源環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用具有重要的意義。目前，我國(guó)水體監(jiān)測(cè)主要存在的問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：第一，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)量不足，難以對(duì)整條河流的水質(zhì)進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)；第二，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)缺乏快速上報(bào)能力，水體監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性亟待提高；第三，自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)缺乏對(duì)水體異常情況及時(shí)處理的能力。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布式傳感器組成的自組織形式的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。其集嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通訊等技術(shù)于一體，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事、智慧城市等領(lǐng)域具有廣泛的用途。中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院項(xiàng)目組基于無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，具有水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)數(shù)據(jù)分析，以及對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行快速處理等3個(gè)主要功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制區(qū)內(nèi)對(duì)象的科學(xué)化管控。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其立足于水利行業(yè)對(duì)水資源管理和水資源有效利用的實(shí)際需求，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、水處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，合理部署、建設(shè)水利工程信息傳輸和存儲(chǔ)平臺(tái)，切實(shí)提高水利行業(yè)的綜合管理能力和管理水平，實(shí)現(xiàn)向動(dòng)態(tài)管理、精細(xì)管理、定量管理和科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，使水資源利用更加有效、高效。該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，其主要功能包括：第一，實(shí)現(xiàn)水位、流量等信息實(shí)時(shí)采集、報(bào)警，以及在嵌入式軟、硬件的支持下對(duì)閘門(mén)閥泵等水終端設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的閥值實(shí)施反饋控制，用以對(duì)一定程度的突發(fā)狀況進(jìn)行快速處理。當(dāng)水位或水流量異常，超過(guò)自動(dòng)反饋控制閾值時(shí)，由水體管控中心對(duì)異常狀況進(jìn)行處理。第二，對(duì)水體污染進(jìn)行監(jiān)控。在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置傳感器可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)人值守的情況下，水體管控中心遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的采集動(dòng)作，對(duì)多種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，然后分期、分批上傳到水體管控中心，檢測(cè)參數(shù)包括pH值，濁度，余氯，以及銅、鎘、鉛等重金屬含量等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

其中，在感知與控制層，一方面，通過(guò)分布式部署的水位計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、流量計(jì)等自動(dòng)化或半自動(dòng)化的信息采集監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)水位、水流量、水質(zhì)、閘門(mén)閥泵等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；另一方面，根據(jù)具體控制要求，在嵌入式軟、硬件的支持下對(duì)閘門(mén)閥泵等水終端設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的閥值實(shí)施反饋控制，以達(dá)到控制供水量、及時(shí)泄洪等目的。在傳輸層，對(duì)水位、水流量和水質(zhì)進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)采集，以標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)上報(bào)綜合信息化采集器，接入到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸層，最后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)服務(wù)層。在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層，依托水體監(jiān)控中心對(duì)傳輸層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，構(gòu)建業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)等專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為應(yīng)用層各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供支撐和數(shù)據(jù)保障，并基于應(yīng)用中間件對(duì)傳輸層、感知與控制層的硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制。在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層，以物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層和應(yīng)用層的業(yè)務(wù)為支撐，提供信息服務(wù)，通過(guò)融合信息應(yīng)用，方便各級(jí)單位和個(gè)人之間的信息溝通和公文報(bào)送，外部公眾單位和個(gè)人以單點(diǎn)登錄的方式登錄應(yīng)用系統(tǒng)，在權(quán)限控制下查詢(xún)相關(guān)信息。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由水體監(jiān)控中心、ARM主控制器、無(wú)線(xiàn)通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制模塊、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊、LCD顯示模塊、I/O設(shè)備等模塊組成。

其中，水體監(jiān)控中心是物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層的重要組成部分，上位機(jī)配置英特爾雙核2.0GHz或更高性能的CPU、Windows XP SP3操作系統(tǒng)、2GB內(nèi)存、500GB硬盤(pán)，負(fù)責(zé)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。此外，其還安裝了大量的磁盤(pán)陣列，以保證水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)；安裝了數(shù)據(jù)分析軟件，以完成實(shí)時(shí)水體數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)搭配高性能的服務(wù)器，可為水利政務(wù)提供遠(yuǎn)程決策支持，也可支撐物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層用戶(hù)的信息查詢(xún)。ARM主控制器、LCD顯示模塊、I/O設(shè)備等模塊作為應(yīng)用中間件設(shè)置在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層。ARM主控制器完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集控制、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊控制，以及閥門(mén)控制指令發(fā)送。LCD顯示模塊主要用于主控制器的調(diào)試結(jié)果顯示，同時(shí)保證ARM控制器調(diào)試與維護(hù)的便捷性。無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)置在傳輸層，用以實(shí)現(xiàn)水體數(shù)據(jù)和控制指令的無(wú)線(xiàn)傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)反饋控制模塊、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)置在感知與控制層。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)水體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)預(yù)處理，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換）；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)反饋控制模塊按照預(yù)先設(shè)置的閾值實(shí)施反饋控制；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作，如轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、控制數(shù)據(jù)收發(fā)等。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層和感知與控制層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面主要針對(duì)這2個(gè)服務(wù)層的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖2 水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層的內(nèi)核采用基于A(yíng)RM920T內(nèi)核推出的S3C2440A作為核心處理芯片（主控制器）。S3C2440A是一種16/32位RISC微處理器，具有成本低、能耗低、性能高等特點(diǎn)。其采用先進(jìn)微控制器總線(xiàn)架構(gòu)（AMBA，Advanced Micro controller Bus Architecture），實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線(xiàn)和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的16kB指令Cache（I-Cache）和16kB數(shù)據(jù)Cache（D-Cache）。主控制器用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與控制指令發(fā)送，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)I/O設(shè)備上傳至水體監(jiān)控中心。

從管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，以及控制信號(hào)流程出發(fā)，感知層通過(guò)智能傳感器完成數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、放大，轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)字信號(hào)；控制層對(duì)水體的異常情況進(jìn)行反饋控制。無(wú)線(xiàn)通訊模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將處理后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式傳送給系統(tǒng)主控制器，無(wú)線(xiàn)通訊模塊通過(guò)RS232與主控制器相互通訊。主控制器對(duì)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、控制，收發(fā)指令，對(duì)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、LCD顯示進(jìn)行控制。水體數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)傳輸給水體監(jiān)控中心，水體監(jiān)控中心使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)水體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與監(jiān)測(cè)，并對(duì)外提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果的查詢(xún)服務(wù)。

2.2 感知與控制層設(shè)計(jì)

2.2.1 感知與控制層功能設(shè)計(jì)

感知與控制層主要包括水位/水流量遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。水位/水流量遠(yuǎn)程監(jiān)控終端由水位計(jì)和流量計(jì)組成。水位計(jì)和流量計(jì)監(jiān)測(cè)水位和水流量的當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)水位或水流量超出指定值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，并發(fā)送報(bào)警短信，經(jīng)由傳輸層傳輸至位于服務(wù)層的控制中心。水位/水流量遠(yuǎn)程監(jiān)控終端具備以下功能：一是報(bào)警，即當(dāng)水位或水流量高于預(yù)先設(shè)定上限或低于下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息。二是水位恢復(fù)報(bào)警，即當(dāng)水位恢復(fù)至正常值時(shí)，水位計(jì)能發(fā)送報(bào)警消除短信，通知報(bào)警消除。三是自動(dòng)反饋控制，即當(dāng)水位高于當(dāng)?shù)刈罡咚?m內(nèi)或低于最低水位2m內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)調(diào)節(jié)水位；當(dāng)水流量高于當(dāng)?shù)卦试S最高水流量0.5m/s內(nèi)，監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)調(diào)節(jié)水流量。四是遠(yuǎn)程控制，即短信報(bào)警器具有輸出控制功能，可實(shí)現(xiàn)短信遠(yuǎn)程遙控，即可發(fā)出指令來(lái)關(guān)閉或打開(kāi)指定電路，如閥門(mén)和水泵等。水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端由智能pH傳感器、智能濁度傳感器、智能余氯傳感器和智能重金屬傳感器（主要檢測(cè)水體中的汞、銅、鎘等重金屬）等組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體中污染物的含量，并將數(shù)據(jù)傳送至控制層。控制層接收傳感器的檢測(cè)信息，進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算，并傳輸給無(wú)線(xiàn)通信模塊，將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層主控制器。

2.2.2 感知與控制層硬件設(shè)計(jì)

水體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端一般部署在野外，因此，該系統(tǒng)選用太陽(yáng)能電池板供電。太陽(yáng)能供電測(cè)點(diǎn)設(shè)備配置如表1所示。充電保護(hù)器、蓄電池等集成在金屬防護(hù)箱內(nèi)。金屬防護(hù)箱安裝在金屬桿上。太陽(yáng)能板安裝在金屬桿的支架上。水質(zhì)遠(yuǎn)程檢測(cè)終端安裝在防水防護(hù)箱內(nèi)。防水防護(hù)箱安裝在監(jiān)測(cè)地水體中。水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀信號(hào)線(xiàn)、隔離變壓器信號(hào)線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)連接在防水接線(xiàn)盒上。監(jiān)測(cè)終端由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、反饋控制模塊、微處理芯片、無(wú)線(xiàn)通訊模塊和電源等模塊組成。監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由智能傳感器、信號(hào)調(diào)理電路（ADC0809）等組成。水質(zhì)傳感器采用E+H公司生產(chǎn)的pH值傳感器CPS 11、池度傳感器CUS 31、極譜型余氯電極YLG-2058-01和基于伏安法技術(shù)的水質(zhì)重金屬監(jiān)測(cè)儀AVVOR9000。配合相應(yīng)的水位、水流量傳感器，將檢測(cè)到的壓力，流量，流速，流向，以及銅、鎘、鉛、鋅、鎳元素的含量等數(shù)據(jù)經(jīng)變送器處理后，轉(zhuǎn)換成0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳送至ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)每隔500ms循環(huán)采樣一次。數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制模塊。

表1 監(jiān)測(cè)終端設(shè)備配置表

圖3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖

監(jiān)測(cè)終端控制以TI公司的MSP430F149低功耗微處理器為核心。16位RISC結(jié)構(gòu)使得MSP430F149具有強(qiáng)大的信息處理能力，同時(shí)自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，降低了外圍電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。將該芯片作為數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)水體數(shù)據(jù)采樣5次后進(jìn)行中值濾波，經(jīng)數(shù)據(jù)變換后，將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層。

無(wú)線(xiàn)通訊模塊采用Zigbee通訊協(xié)議，其PHY層和MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。IEEE802.15.4協(xié)議工作在2.4GHz頻率，是Zigbee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)，為全球通用的工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)頻段，免付費(fèi)，免申請(qǐng)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到250kbps。無(wú)線(xiàn)通訊模塊由TI Chipco公司的CC2430和CC2591功放芯片聯(lián)合組成。CC2430內(nèi)部集成Zigbee射頻前端、內(nèi)存和控制器等3個(gè)部分。具有高性能的2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級(jí)8051控制器負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與主控制器之間的通訊，并完全支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的IEEE802.15.4-2006標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee2006技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CC2591是低成本、高性能的功放設(shè)備，能夠顯著擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的覆蓋范圍，并可將接收機(jī)的靈敏度提高6dB，輸出功率提高22dB。CC2591內(nèi)部集成了RF匹配網(wǎng)絡(luò)，所以，在RF輸入/輸出部分無(wú)需增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射及接收時(shí)僅消耗電流34mA。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)與RF之間采用RS232串口通訊。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 感知與控制層軟件設(shè)計(jì)

感知與控制層主要完成水位、水流量數(shù)據(jù)和水質(zhì)污染物數(shù)據(jù)等現(xiàn)場(chǎng)水體數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其發(fā)送至監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)上。同時(shí)，在嵌入式軟、硬件的支持下，其對(duì)水終端設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的閥值實(shí)施反饋控制。該系統(tǒng)的軟件部分主要包括監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)采集程序、反饋控制程序和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信程序等。Zigbee節(jié)點(diǎn)采用開(kāi)源C語(yǔ)言協(xié)議棧Z-stack。由于Z-stack采用事件輪詢(xún)機(jī)制，上電初始化以后，無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)入低功耗休眠模式。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入無(wú)線(xiàn)通訊模塊時(shí)，系統(tǒng)被喚醒并進(jìn)入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)，如果需發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)，則優(yōu)先處理中端級(jí)別高的事件，在完成任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠模式。該基于操作系統(tǒng)思想的軟件構(gòu)架可以大幅降低系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行壽命。監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層軟件設(shè)計(jì)方案

水體監(jiān)控中心的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。水體監(jiān)控中心軟件分為數(shù)據(jù)管理軟件與控制軟件2種。數(shù)據(jù)管理軟件實(shí)現(xiàn)PC與硬件系統(tǒng)的串口通信，完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)的采集可選擇在線(xiàn)連續(xù)采集和定時(shí)采集2種方式進(jìn)行。友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的調(diào)試與設(shè)置。水體監(jiān)控中心安裝Microsoft SQL Server 2000 SP4數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，用于分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢(xún)服務(wù)。系統(tǒng)軟件支持SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可存儲(chǔ)不少于3年的各種歷史數(shù)據(jù)?？刂栖浖糜谔幚硭w的異常情況，當(dāng)監(jiān)控中心接收到監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)自動(dòng)反饋控制處理的水體異常情況時(shí)，監(jiān)測(cè)人員可通過(guò)控制軟件控制閘口、水泵的開(kāi)與關(guān)，或者投放相應(yīng)的凈水試劑，及時(shí)處理水體污染情況。采用J2EE技術(shù)構(gòu)架將軟件功能模塊化，包括系統(tǒng)信息管理，基礎(chǔ)信息管理，檢查保修管理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，歷史記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、輸出管理，圖形分析、匯總統(tǒng)計(jì)與報(bào)表管理等功能模塊。采用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將C語(yǔ)言程序?qū)懭氡O(jiān)控傳感器上，使其實(shí)現(xiàn)超過(guò)上限參數(shù)報(bào)警、前端平臺(tái)及時(shí)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)等功能。結(jié)合J2EE及相關(guān)Web技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)擴(kuò)展更為方便，當(dāng)需要增加監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，僅需在現(xiàn)場(chǎng)加裝1套測(cè)控終端，在系統(tǒng)軟件上添加1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目在實(shí)施中有效滿(mǎn)足了污水管理、水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控、水位遠(yuǎn)程監(jiān)控等多項(xiàng)應(yīng)用需求，同時(shí)大幅節(jié)省了由監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)及人工巡視與監(jiān)控所帶來(lái)的高額費(fèi)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)對(duì)水資源重視程度的不斷提高，水資源管控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸也需要多種方式并用，基于嵌入式芯片的主控制器將向著數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1 葉湘濱, 陳利虎, 胡罡. 傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2004, 12(11)∶ 1033～1035

2 杜治國(guó), 肖德琴, 周運(yùn)華, 等. 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2008, 29(17)∶4568～4569

3 王驥, 王筱珍, 任肖麗, 等. 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(3)∶ 247

4 敖俊宇. 基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[D]. 南昌大學(xué), 2012∶ 1～25

5 李建輝. 基于GPRS水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2009∶ 5～39

6 王云鵬, 閔育順, 傅家謨, 等. 水體污染的遙感方法及在珠江廣州河段水污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2001, 5(6)∶460～465

7 蔡蘇華. 基于A(yíng)RM的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京師范大學(xué), 2012∶ 5～7

8 Texas Instrument.CC2430 Datasheet[EB/OL]. http∶//www. alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=CC2430

9 Texas Instrument.CC2591 Datasheet[EB/OL]. http∶//www. alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=CC2591

10 程春榮, 毛祥根, 武利珍. 基于ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 電子器件, 2009, 32(5)∶ 943～945

11 吳亞林, 王勁松. 物聯(lián)網(wǎng)用傳感器[M]. 北京∶ 電子工業(yè)出版社, 2012∶ 167～194

圖5 云服務(wù)界面

2.6 產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該系統(tǒng)以工業(yè)化、通用化、適應(yīng)性與易用性為基本設(shè)計(jì)原則，同時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、便利、穩(wěn)定和安全的工業(yè)特征。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要包括：安裝簡(jiǎn)單，僅需電源及與監(jiān)控對(duì)象對(duì)接的網(wǎng)絡(luò)即可；操作簡(jiǎn)單，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)和對(duì)接，僅需通過(guò)WEB方式簡(jiǎn)單配置即可；

報(bào)警及時(shí)，對(duì)監(jiān)控對(duì)象狀態(tài)反應(yīng)敏銳，一旦發(fā)生異常情況，能夠及時(shí)通過(guò)電話(huà)及短信等方式通知用戶(hù)；

運(yùn)行穩(wěn)定，全天侯（7×24h）運(yùn)行無(wú)故障；

安全可靠，設(shè)備系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，交互數(shù)據(jù)無(wú)存儲(chǔ)，無(wú)輸出；

減負(fù)增值，其運(yùn)行能夠大大減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員的數(shù)量，降低工作強(qiáng)度，節(jié)約用戶(hù)的支出和各種資源。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能監(jiān)控預(yù)警服務(wù)能夠解決系統(tǒng)/設(shè)備維護(hù)人員的日常維護(hù)難題，高效地執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員開(kāi)展精準(zhǔn)維護(hù)提供重要的參考依據(jù)。

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