物聯網技術在深圳西涌天文—氣象綜合探測基地管理中的應用

林軼琦　李磊　江崟　莊紅波　梅林　黃志彬

摘 要：野外綜合科學探測基地的有效管理是保障基地正常有序運行的一項重要前提，而有效的管理取決于能否及時獲取基地內各項設施的實時運行數據。該文以深圳西涌天文臺為例，提出了應用物聯網技術，開發基地綜合管理平臺的技術思路，該平臺實現了以下幾種功能：（1）供水系統運行數據實時監控；（2）供電系統運行數據實時監控；（3）基地網絡狀態實時監控；（4）安防視頻系統實時監控；（5）消防系統實時監控。通過該系統，基地管理人員可以高效、快速地獲取一些基地運行數據，掌握實時的基地情況，從而為正確的做出應對措施及提前做好規劃準備提供參考依據。系統投入使用以來，已產生了明顯的管理效益和經濟效益，為國內同類大型野外科學探測基地的管理提供了參考。

關鍵詞：物聯網 野外探測基地 實時監控 綜合管理

中圖分類號：P715 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0008-04

Abstract：Effective management is essential to guarantee the fluent operation of the comprehensive scientific field exploration base，which depends on whether the real-time running data of the instruments in the base can be obtained or not.Taking Xichong observatory as an example， this paper introduces how develop an integrated management platform based on the internet of things techniques.The platform have the following functions：（1）Real-time monitoring of the water supply system；（2）Real-time monitoring of the power system and power consumption data；（3）Real-time monitoring of the intranet and internet status；（4）Providing real-time video monitoring images；（5）Real-time monitoring of the fire protection system.Through the platform， the managers of the base could efficiently and quickly obtain the status of the instruments in the base，which will help to make right decisions to cope with possible problems and faults of the instruments.Since the establishment of the platform，obvious management and economic benefit have been obtained，which provide a reference for the similar large field scientific exploration base management.

Key Words：Internet of thing；Field exploration base；Real-time monitoring；Integrated management

深圳西涌天文-氣象綜合探測基地于2010年9月建成，是國內第一個天文與氣象相結合、科普與業務相結合的綜合探測基地。基地占地面積超過2.9萬m2，位于臨海的一座山上且遠離市區。基地內除布設有專業天文及氣象探測設施外，還建有發電、配電、消防、生活供水、中水處理、視頻監控等9套輔助運行系統，運行監控管理工作壓力十分巨大。在基地建成的初期，通氣、供水、供電及消防設備時有故障，自基地建成以來，經歷過發電機輸出功率不正常、水溫異常、水泵故障失靈、蓄水池水位過低、機房溫濕度不正常等多種問題，這些問題影響了基地的正常運轉。由于遠離市區，基地日常駐守的業務人員數量極為有限，僅靠駐守基地的工作人員人工巡查，很難及時發現問題，從而使得基地不能充分發揮其應有的作用。

事實上，西涌天文-氣象綜合探測基地所面臨的問題，也是國內多數野外大型科學探測基地共同面臨的問題。依靠科學技術提升綜合監控和管理能力，及時發現各種設備故障，從而提高排除故障的效率，是解決這一問題的必然途徑。而解決這一問題的關鍵，在于及時獲得關于設備運轉情況的第一手數據，以幫助判斷設備的狀態，為分析處理故障提供有效支撐。

國際電信聯盟（ITU）指出，信息與通信技術的目標已經從任何時間、任何地點連接任何人，發展到連接任何物品的階段，而萬物的連接就形成了物聯網，它是對物體具有全面感知能力，對信息具有可靠傳送和智能處理能力的鏈接物體與物體的信息網絡，全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯網的特征[1]，隨著物聯網技術的日益發展及成熟，運用流行的物聯網技術進行開發建設已成必然。近年來，物聯網的應用已滲透到各行各業的信息化管理系統當中，諸如交通、農業、氣象、醫療等，各行業的智能化管理水平已得到顯著的提升[2-6]。將物聯網技術用于西涌天文-氣象綜合探測基地的管理，建成電子化的基地綜合管理系統，不僅有助于解決實際問題，直接提升基地的智能化管理水平，也將為國內其他類似基地解決共性問題提供有益的參考。

1 需求分析和功能設計

總體目標：基于物聯網技術簡稱基地綜合管理系統，通過該系統可以有效進行設備運行監控，并對基地業務人員進行動態管理，從而提高整個基地的管理效率。實現管理過程的電子化，易于統一歸檔和存儲，為查詢統計以及相關物業、維護等事務的跟蹤提供技術支撐。

具體需求：（1）對供水系統運行數據實時監控，包括：凈水池水位、原水池水位、水凈化系統運行狀態（工作、待機、故障，下同）、濾芯更換記錄、水泵運行狀態、蓄水池水位、柴油機狀態、加壓水泵運行狀態、中水處理系統運行狀態；（2）對供電系統運行數據實時監控，包括：配電室電器控制設備運行狀態、主要參數，發電機狀態、開關機記錄，發電機房溫、濕度，UPS工作狀態；（3）對基地網絡狀態實時監控，主要指基地的光纖工作狀態；（4）實時調閱所有安防視頻；（5）對消防系統實時監控，包括：七氟丙烷消防系統狀態、消防水水位信息、消防水泵狀態、消防器材檔案；（6）具有閾值觸發短信告知功能，當關鍵設備出現故障，狀態信息有所改變時，自動發短信到系統管理員處；（7）可實現人員動態管理，諸如排班、考勤等。

性能需求：服務器端響應時間（從點擊了一個頁面計時開始，到這個頁面完全在瀏覽器里展現計時結束的這一段時間間隔），數據庫信息檢索時間最大不超過2 s，平均時間在0.1～1 s以內。客戶端響應時間，頁面載入時間最大不超過8 s，平均時間在1～3 s以內。CPU占用率：最大80%，正常20%，內存使用率：最大1G，磁盤存儲空間不超過50G。單臺服務器并發用戶數500。

2 功能實現

本系統開發環境基于ECLIPSE平臺，使用JAVA進行開發，主體采用B/S架構，便于獲得授權的管理人員通過IE瀏覽器進行查詢、分析。系統采用模塊化的設計，可以很容易的增加、刪除、更新內容模塊；系統開發盡可能采用開源軟件，或者在其上做開發，以降低開發維護成本。系統總體架構包括6大功能模塊，即設備狀態實時監控、安防系統狀態監控、天文觀測設施管理、綜合行政、管理人員、管理系統管理及30個小功能模塊組成。系統的結構概念圖如圖1所示。

2.1 硬件設備運行的數據采集

考慮前端設備大部分是基于RS232和RS485的通訊，而且比較分散。但是內以太網絡布設較為方便，因此采用RS485轉以太網，接入企業網的通訊模式。由于數據的存儲量大，而且用戶要求進行數據接入服務，所以采用網絡數據庫SQLServer，以方便用戶使用。

對接入設備提供了統一的接口，進行程序開發即可將其他設備接入系統，以發電機、UPS、電量儀以及PLC設備為例分別予以說明。發電機提供了MODBUS通訊協議，也可通過統一接口成功接入。UPS是艾默生Hiplus系列，提供了通訊協議，也成功接入。電量儀協議提供不完整，而且型號不一，協議雖均為MODBUS類型協議，但是并不完全符合MODBUS規范，通過分析其通訊的數據包，進行數據移位比較后尋找出每個協議的具體數據格式，經過多次調試分析，最終也成功接入。一臺PLC設備提供了MODBUS接口，根據廠家提供的連接通信參數，成功接入；另一臺PLC無法提供現成協議，通過查閱多方資料[7-8]，了解到PLC設備的數據通訊口可通過PPI協議進行數據訪問，而PPI協議是西門子的內部協議，參閱該協議的相關資料后，開發出專用的程序來訪問，最終也實現了PLC設備的接入。

發電機、UPS電量儀、PLC等設備的成功接入，為實現后臺程序統一數據管理起到了決定性作用，使得各“物”的信息最終得以“聯網”。數據的采集通過采集終端的開放型TCP/IP接口為后臺程序的數據讀取提供了連接的橋梁，實現了通過物聯網實時數據的讀取。

由于有后續二次開發有數據接入的需求，本系統專門定制了一個數據庫的表，開發了一個專門程序利用系統的開放型TCP/IP接口，從數據庫的實時庫中讀取數據，保持數據為最新狀態，二次開發只需直接訪問這個表調取所要的數據，這樣解決了直接基于TCP/IP端口訪問可擴展性不強、數據量大時訪問效率不高、數據的實時性很差、編程難度大，SQL語句也較為復雜等一些弊端。

2.2 功能模塊的設計及集成

采集端承擔了對本地或遠端監控模塊的數據采集、數據分析、數據保存和數據轉發等功能。而監控端則以圖形、列表、文字、仿真控件等多種形式將被監控設備的運行參數展現在用戶面前。通過監控系統用戶可以實時監測設備的運行狀況，及時提示設備的告警，迅速地對遠程設備進行遙控。除此之外，監控系統還具有快捷的瀏覽方式、聲光告警提示、告警自動通知、自動化的值班派單系統等強大的功能。

系統承擔的綜合管理功能包含安全性管理、監控設備的管理、人員管理、工程資料的管理以及運行數據管理，報表等。配置有3部分：分別是采集配置、監控配置和基礎數據定義。采集配置是根據具體的硬件模塊結構來進行配置。監控配置是用戶的界面配置。基礎數據定義是維護系統運行的一些通用化數據定義，不涉及到具體的監控對象。它們之間的關系如圖2所示。

系統可以實現多平臺監控，每個監控臺可以配置獨立的監控界面和監控對象組合。同時也可以為上級監控中心提供數據服務，組織成多層分布式監控系統，可查詢歷史數據以及在線控制等，如圖3所示。

3 應用及成效

建成后的西涌天文臺綜合業務管理系統如圖4所示，從圖4中不難看出，系統一目了然地集中展示了關鍵系統的運行狀態。

從系統投入使用近兩年來的成效來看，使基地管理工作化繁為簡、化難為易、條理清晰、數據準確及時，大大提升了管理人員的工作效率、減少了工作強度。如圖5。

在兩年中，通過該系統發現的問題及排除故障的典型案例包括以下4方面。

（1）發電機房環境檢測濕度出現異常高值報警13次，通過西涌天文臺綜合業務管理系統報警短信通知，基地管理人員及時通知駐點電工及時開啟通風及抽濕機處理，防止溫濕度傳感器及煙霧傳感器因潮濕造成的誤報，防止消防系統因誤報警而觸發七氟丙烷氣體的噴發，避免了不必要的經濟損失。

（2）原水池水位檢測報警1次，通過西涌天文臺綜合業務管理平臺報警短信通知，臺辦通知駐點物業工程人員現場檢查，發現山下水泵房由于長時間沒有下雨而缺水，西涌天文臺駐點工作人員在未知的情況下正常用水，最終原水池水位下降到報警值。根據該警示信息，使得工作人員得以及時做好缺水的應對工作，同時避免了水泵因空轉而造成損壞。

（3）通過西涌天文臺綜合業務管理系統的投入運行，管理人員獲得了大量基地的運行數據，結合西涌天文臺的實際需求，通過科學設備調整運行方式和運行參數，延長設施設備使用壽命，提高能源效率，降低運行成本，據供電局所提供的數據表明，西涌天文臺2013年度總能耗比上一年度減少了9.93%，有效實現了節能環保的目標。如圖6。

（4）系統投入使用以來，位于野外的西涌基地未發生過任何安全生產責任事故，系統故障總能及時發現并得到快速修復，大大減少了管理人員往返野外基地的次數，降低了因設備故障導致的各類損失，每年約能為所在單位節約人工、能耗、交通等費用10萬余元，3年來的累積效益已大大超出建設系統的投入資金。

4 結語

該文介紹了基于物聯網的氣象探測基地管理系統的開發思路，并以“西涌天文臺綜合管理系統”為實例，進行系統應用說明。隨著物聯網技術一日千里的發展，相信在不久的將來將出現更多基于物聯網的通信接口協議、采集器及應用傳感器，將會有更多的設備可納入到統一的平臺，進行更智能的集中管理。

參考文獻

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