物聯網技術在數字湖泊中的應用研究

趙盛萍++羊波++周紅明++李璟瑞++周慧++趙海茹++王蕊

摘 要 將物聯網技術應用到數字湖泊系統中，利用物聯網RFID技術和無線傳輸功能，實現監測節點和上位機之間的無線傳輸，來保障數字湖泊系統中數據的實時性、有效性，為湖泊治理提供更加準確、合理的數據支持。

關鍵詞 數字湖泊；物聯網；無線傳輸；ZigBee

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）190-0067-03

數字湖泊是近年來為湖泊污染的治理與保護提出的新思路、新技術。數字湖泊以保護水資源為目的，使湖泊具有科學合理的水位（水量）和較好的水質，在開發、利用水資源的同時，保證湖泊水環境保持在良性的狀態。

1 數字湖泊介紹

數字湖泊的建立既可以為相關部門、機構提供一般數據的瀏覽、信息查詢，又可以結合水質、水量等模型復雜的水環境預測、分析，其概念模型如圖1所示[1]。

數字湖泊系統中首先通過多種途徑建立撫仙湖實時性、動態化的區域環境數據庫，其次根據數據庫建立數字湖泊的相關模型，其中包括：地理空間模型、水質模型、水量模型、生態環境模型等，這些模型為分析撫仙湖的生態演化或退化提供模型依據，實現在一定周期內模擬、預測水環境變化。以上模型、數據建立好的專家庫、知識庫可以為數字湖泊的業務管理與決策提供理論和數據支持，最后借助于網絡可以實現相關部門、機構間數據的查詢、交換與共享，并實現湖泊區域治理與保護措施、政策的上行下達。

2 物聯網

從技術架構上來看，物聯網可分為3層：感知層、網絡層和應用層[2]，如圖2所示。感知層是物聯網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是通過節點傳感器物體進行識別，采集特征信息。網絡層由互聯網、有線和無線通信網等組成，用于感知層提取的特征信息的傳遞和處理。應用層是物聯網和用戶間的交互接口[3]。

3 數字湖泊總體設計

介于相關部門和機構（政府、人大、政協等）、職能部門和研究機構（環保、水利、農業等）不同的需求，在數字湖泊總體設計中可用物聯網將現場傳感器和智能算法、云計算這些技術相結合起來，而且使用于水質檢測、大氣監測等范疇[4]。

對數字湖泊的研究主要包括3個方面：水環境監測系統設計、大型水質模型的建立和系統框架設計物聯網技術主要應用在水環境監測系統設計中。從水環境監測系統和軟件設計兩個方面進行分析。

3.1 水環境監測系統設計

如圖3所示，水質現場的傳感器節點和匯聚節點組成的Zigbee自組織網絡以及實現數據通監測、存儲和顯示的下位機構成了水質實時監測系統的主要部分。GPRS通信用于下位機和監控中心上位機間的通信。現場的傳感器節點負責監測水質參數，監測節點間的無線通信使用ZigBee通信技術，ZigBee技術不光有距離近、操作簡單、更強的組網能力、降低成本及更高可靠性等特點，充分滿足了無線水質監測的需要[5]。

傳感器節點用于采集渾濁度、溫度、含氧量、pH值等水質指標，傳感器完成對監測區域內水體信息的采集，將生物量、物理量或化學量轉換為電信號，然后通過信號調理電路的放大、濾波等處理后進行模數轉換。將模擬量表示的電信號轉換為適合單片機傳輸、處理的數字信號，其硬件電路設計，如圖4所示。

3.2 無線網絡通信

ZigBee技術所用的局域網標準是IEEE8

02.15.4標準其特點是耗電量低，根據相關國家標準。ZigBee協議從上到下分別為應用層（APL）、網絡層 （NWK）、數據傳輸層（TL）、媒體訪問與控制層（MAC）、物理層（PHY）等。監測節點的設計、通信網絡的選擇和數據的傳輸是要考慮的關鍵問題。監測節點在野外作業要保證監測節點的穩定性、準確性和安全性。要實現遠程監測通信網絡就需要選擇無線通信，可以選擇性價比、安全性較高的ZigBee通信技術。

ZigBee的拓撲結構分為3種分別為：星型結構、樹狀網絡或簇狀網絡、網絡結構。星型結構主要用于傳感節點少而且不需要傳輸太遠的距離，無線傳輸可以不通過路由設備直接將采集到的數據從終端設備傳輸到協調設備，這樣既節約了成本又降低了設計的復雜度；樹狀網絡或簇狀網絡，就像樹枝一樣層層分丫，越到后面丫枝樹越多，對于這樣的特點它比較適合傳輸距離較長、傳感節點較集中和較多的無線傳輸；網絡結構它則比較適合所要檢測傳感節點比較多、傳輸距離遠和節點比較分散的結構[6]。根據湖泊數字監測的要求星型和樹狀網絡較適合水環境監測節點的拓撲結構，如圖5所示。

3.3 軟件設計

系統軟件設計主要在于軟件開發平臺的搭建和應用程序的設計。系統中采用了三層設計方法。將整個軟件系統分為硬件抽象層、系統服務層和應用層，軟件系統結構如圖6所示。

4 結論

本文結合物聯網技術的特點，提出將物聯網技術應用到數字湖泊中，以此來實現水環境數據和上位機之間的無線通信，以便于建立實時、全面的水環境數據庫。上述數據庫有助于建立覆蓋面更廣、功能更全面、實時性更好的數字湖泊平臺，為湖泊的治理提供更有利的技術支持。

參考文獻

[1]趙俊三，龔純偉，嚴泰來，等.數字湖泊空間分析模型與多尺度數據組織[J].昆明理工大學學報（理工版），2007（3）：91-95.

[2]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報，2013（1）：168-188.

[3]楊京帥，雷景敏.基于物聯網技術的橋梁安全監測與評估關鍵問題研究[J].公路，2012（9）：70-73.

[4]趙俊三.數字湖泊及其地理空間數據組織問題研究[C]//中國環境科學學會，2010中國環境科學學會學術年會論文集（第三卷），中國環境科學學會，2010：4.

[5]王小強.歐陽駿.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011.