基于物联网的水文监测系统设计

远程中心监控节点是整个系统的管理中枢，用于汇集并处理各区域的水文参数，并根据分析结果提出不同的合理化建议，主要完成数据的存储与处理、数据的可视化、物联网的管理功能。其硬件组成主要是大规模的磁盘阵列以及高性能的工作站服务器。

在整个水文监测系统硬件部署、软件参数设置完成后，就可以对部署了终端传感器节点的水区域进行水文参数的主动监测。其具体流程如下:

(1) 远程监控中心发出控制指令，通过网关节点，启动激活终端传感器节点进行水文参数检测。

(2) 终端节点处理器收到指令后，由主处理器对命令进行解码。若节点地址与控制指令中的地址一致，则启动传感器进行水文参数采集，并将最终采集到的数据传送给节 点处理器。节点主处理器捕获到测量数据后，再进行相关数据的分析、融合，并将水文数据打包成符合6LoWPAN协议标准的数据帧，然后加入包头、节点编号 等信息后送到射频模块进行数据的发射，同时也可在该节点实现其他节点的路由转发。

(3) 中心节点汇聚各个终端节点参数，发出相应控制指令。

2 软件系统集成及设计

水文监测系统的管理功能比较复杂，任务多样，需要监测的水文参数种类多，仅目前就包括水温、水位、PH 值等参数测试，而且为了今后的拓展，还必须为今后其他水文参数测试预留软件接口。同时，水文参数测试结果的通信方式的种类差异也较大，软件设计涉及大量的 网络通信程序设计以及数据库设计管理工作。为便于不同模块的接口，软件设计整体应采用一致性、模块化设计。所有节点开发和应用平台可选用Linux 操作系统，因为Linux 系统成熟稳定、源代码开放，尤其在网络通信方面有其独到的优势。终端节点由于其节电性方面的要求，可采用裁剪后的最小嵌入式Linux 操作系统，网关节点采用普通嵌入式Linux 操作系统，而中心节点则采用完整的Linux 系统，这种软件平台架构保证了整个系统的软件一致性，以便于以后的保障和维护。

2.1 终端节点的软件设计

终端节点的硬件平台主要包括核心控制器、I/O 接口、存储模块及射频收发模块等，其硬件构成决定了终端节点采用裁剪后的最小嵌入式Linux 操作系统比较符合终端节点特性。同时，由于终端节点以及物联网组网的特殊性，其通信协议不可能采用完整的IP 协议栈，而必须采用修改后能适用本系统的网络协议栈来实现报文的分片和重组、报头压缩和地址自动配置、组播和安全。协议栈数据帧格式符合 IEEE802.15.4，其水文参数测试协议帧格式如图2 所示，其中MAC 负载部分包括上层协议帧控制信息、水文参数、传感器节点号等信息。

图2 水文参数测试协议帧格式

作为终端节点，软件节能设计是其中的一个重要考虑。为了避免节点频繁进入暂停工作等待充电的工作模式，减少无用数据的采集和传输，传感器节点采 用基于阈值的工作方式：当监测数据的大小在报告阈值以内时，不予发送，当监测数据的大小超过报告阈值而在告警阈值以内时，以较长的周期循环报告实时数据; 当监测数据的大小超过告警阈值时，以较短的周期循环报告实时数据。这样的工作方式既保证了关键实时数据的可靠获取，又减少了频繁发送无用数据的能量消耗。

2.2 水文监控中心软件设计

水文监控中心应用软件的设计目标是尽可能地使得系统友好，使用户操作简单直观，对险情或者异常情况表示及告警明显。在方案设计中，上层部分不但 需要提供给用户与系统交互能力相适应的界面，还需要提供对水文参数进行归纳、综合分析等功能的实现模块以及与底层交互的通讯模块。

基于设计目标的要求，其监控中心的软件平台设计采用B/S 架构，应用界面程序部分和核心平台之间采用多种耦合方式。核心平台可以作为界面的一个功能模块DLL 嵌入上层直接调用底层库函数，也可以把核心平台单独作为一个独立的进程，二者之间通过操作系统提供的进程间的管道机制实现通信。监控中心应用程序通过核心 平台实现对水文监测网络的管理，并启动终端水文监测节点来采样区域水文资料。监控中心在收集到由路由节点转发来的水文采样数据之后，可将数据存储于后台数 据库中，同时提供用户界面对水文参数进行分析处理，并采用图形方式进行显示，最终根据分析结果进行视觉或声响告警。系统应用程序主要包括文件处理模块、系 统配置模块、分析处理模块以及告警模块等4 个功能模块。监控中心软件系统平台采用Linux 系统, 存储数据库则采用ORACLE 大型关系数据库[7-8]。

通过文件功能模块可以实现对数据的存储、调取以及打印等功能，也可以保存设置应用程序工作环境参数等功能，同时可实现对数据的永久性存储，以便于后期数据的综合化处理。

配置功能模块采用图形化的方式实现对系统节点、整个系统的网络路由以及终端传感器的参数设置，从而达到对整个水文监测系统的硬件和软件配置，包括应用程序启动时对硬件的检测以及检测通过后初始化测试所需要的软硬件环境。

分析处理模块是整个监控中心的核心模块，主要包括水文数据的分析、归类、比较、模型建立、数据归一化处理以及对数据曲线进行描绘和显示等功能。大致的功能包括下列4 个方面：

(1) 结合地理信息系统，将所有终端节点的位置及其实时数据显示在地图上，这样可实现监测者快速定位水文终端节点地理坐标，全局监测整个水域的水文信息情况;

(2) 以时间坐标为基轴，将所有终端节点的历史或实时数据显示在以时间为横轴的曲线图上，以便于监测者分析一段时间内水文参数的变化情况，进而结合其他监测信息分析发生的原因，完善预警机制;

(3) 基于节点标识的展示，对所有节点按网络内的标识大小进行整体的实时数据和节点状态显示，以便监测者抽取导出监测数据，同时观察节点异常状态，对整个网络系统进行及时有效地维护;

(4) 建立水文参数模型，构建参数预测模型，建立专家系统，提供领导决策科学依据。告警功能模块可实现对水文参数的异常情况的报警，主要实现异常节点的快速定 位、进行声光报警提示以及按照设定策略进行异常处理。报警的方式主要包括在图形界面上快速闪烁红色告警提示信息，通过扬声器发出告警提示声音[9]。其软 件整体结构如图3 所示。