基于物联网的地下水监测系统的设计

袁爱军

摘 要：针对目前移动通信卡实名制要求以及开卡数量的限制，对地下水监测系统传输用通信卡造成的影响问题，提出一种基于物联网采用物联卡来实现地下水监测系统数据传输的设计方案。首先对物联网的含义和组织形式以及物联卡的特点进行了介绍，描述了系统整体设计的方案。详细介绍了地下水监测系统的远程监测终端、无线传输端和监控中心的功能设计方案，总结了地下水监测系统工作原理和功能。目前应用物联卡的地下水监测系统已经服务于国家地下水监测工程（河南、山东、河北）应用当中。

关键词：物联网 物联卡 地下水监测

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（a）-0085-02

由于我国的地下水资源不合理开发利用，引发了例如滑坡、水质污染等一系列地质和环境问题，而以往的地下水监测系统，又难以满足各级政府科学管理地下水和为社会经济发展提供信息支撑的迫切需要。为了解决以上问题，国家自2015年开始启动了地下水监测工程，希望能够实现对全国地下水动态的有效实时监测，包括对大型平原、盆地和岩溶区地下水的区域性监控以及地下水监测井的实时监控，为政府决策部门和社会提供及时的、准确的、详细的地下水动态监测信息，满足科学研究以及社会、公众对地下水信息的需求，为合理配置以及科学的管理提供更加优质的服务。

1 物联网

1.1 物联网的定义

通过多种传感技术（RFID、传感器、GPS等）和多种通信手段（有线、无线），将各种物体与互联网相互连接，实现诸如远程监控、自动识别报警、信息维护等功能的一体化网络[1]。

1.2 物联网的组织形式

感知层的主要功能是通过物联网进行物体识别以及信息数据的采集。主要包含传感器件以及由这些传感器件组成的传感器感知网络。在地下水监测系统中，感知层采用S-WW-1地下水监测系统的地下水传感器作为采集终端。

网络层的主要功能是实现感知层的网络数据接入并完成数据类信息的交互。在地下水监测系统中采用的是移动物联网络专线，通过物流卡来实现地下水监测数据的无线传输方式。

应用层主要完成信息的数据处理与人机交互的一系列问题。网络层中传输的大量数据信息通过应用层处理后以信息管理系统平台的方式实现人与感知层设备的信息交互。在地下水监测系统中应用Windows Server 2003作为系统应用平台，采用C#编程软件设计了监测设备管理系统，提供了监测井的管理、维护、实时地下水监测数据和历史数据信息查询、地下水监测数据年表生成和设备电压、维护报警等功能。

2 系统总体结构设计

该系统结构主要由S-WW-1地下水监测系统的远程监控终端和SMS数据传输部分以及多级多源监测设备管理系统三部分组成，分别对应物联网的感知层、网络层以及应用层。系统总体结构如下所示。

2.1 感知层

数据采集主要通过地下水监测传感器，对地下水的水压、水温、水质等信息进行采集，通过MCS-51单芯片微控制器对采集的信号进行A/D转换，将转换后的数据按modubs协议传输至物联卡通信设备上，数据经过加密处理后传输到移动物联网专线。

2.2 网络层

移动物联网专线的主要功能是实现各个地下水监测点与多级多源设备管理系统之间数据传输。近年来物联网专用网络在数据传输方面的应用越来越广泛。而物联卡的诸多优势，使其在地下水监测系统上的发展前景巨大。该系统采用物联卡的方式，实现了监测数据安全、稳定的传输。

物联卡业务是由中国移动面向物联网专线用户提供的采用物联网专用号段实现的移动无线通信接入业务，提供短信和GPRS等基础的数据通信服务，并提供专线通信状态管理等智能管理服务，物联卡默认开通物联网专用短信接入服务号以及物联网专用的APN。主要功能有：

（1）基础通信能力：GPRS和短信数据通信功能，短信可根据不同优先级提供不同服务（重发频次和储存时间），充分满足不同集团客户的业务需求。

（2）终端状态查询：向客户提供诸如开关机、终端位置、是否上线以及IP和APN类信息查询。

（3）账务信息查询：向客户提供物联网账户信息的查询，缴费情况、流量是否超标等账务的信息查询、提醒功能。

（4）业务统计分析：根据用户物流网使用情况进行多维度的数据分析，提供业务报表。

（5）灵活计费方式：根据不同客户需求提供多种计费方式。[2]

2.3 应用层

该层主要为多级多源设备管理系统的设计。在该系统中多级多源设备管理系统软件以C#为开发语言，对用户信息和数据源信息的管理则是通过SQLserver数据库进行存储，以ADO.net的方式对数据库实現访问、修改和操作，采用B/S三层架构，分别是表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL），安全性高并且具有良好的扩展性。功能结构如下所示：

表示层：表示层通过业务逻辑层的类和对象为用户提供了可视化的接口和界面，实现了水位、水温、大气压曲线生成、监测设备参数管理设置、地下水报表和设备低电压报警等功能。

数据访问层：数据访问层用来存储和修改监测系统中原始数据和基础配置参数。包括监测设备实时传输处理的原始数据、数据库基础参数和当前数据表以及历史数据表等信息。

业务逻辑层：业务逻辑层完成与数据访问层之间的数据信息交互操作。主要通过监控中心的服务器完成数据处理并将信息存储于各类数据库中。包括原始采集数据的解析、数据处理和监测设备端报警控制等。通过数据库类库中的Connection、Dataset和DataReader类用以访问数据库数据，并送往表示层以图表等形式向用户展现。

应用层以“文件”、“管理”、“查询”、“设置”四个功能模块实现监测设备、监测信息、报表统计等功能，系统层次关系如图1所示。

3 系统工作原理和主要功能

3.1 工作原理

地下水监测系统数据传输采用全双工的通信模式。地下水监测探头等采集设备通过MCS-51微处理芯片对采集后信号进行A/D处理，将处理的数据按modubs协议编码传输到发射端的SMS通信模块上，然后将数据包按一定的协议进行打包封装加密处理后传输至物联网专用网络。监控中心的SMS接收模块直接对物联网络传输的数据包进行解析，将解析后的数据送往监控中心端的多级多源设备管理平台，从而实现对采集的数据进行分析处理。

3.2 主要功能

3.2.1 信息交互监控模块

地下水监测系统通过监控中心的多级多源设备管理系统与各监测点实现信息交互，监测点对水位、水温、气压、气温、监测设备工作状态以及信号强度是否正常进行监测，通过SMS模块将各种数据打包经物联网送往监控中心。监控中心将发来的数据按照信息类型进行区分并储存在数据库对应表格中。监控中心实时显示水位、水温、大气压、气温以及pH值、溶解氧等数据曲线。

3.2.2 数据再处理模块

通过对数据库中各地下水参数的数据分析，绘制相关曲线图，用来判断相关地区地下水状态的变化，为相关管理机构和决策者提供参考帮助。

通过对地下水监测要素类数据信息以及监测设备信息的统计能够生成各种信息类报表，实现监测信息的档案化管理。

4 结语

该文应用物联卡实现了在物联网技术下的地下水监测，系统利用C#技术实现物联传输网络的组建，对地下水监测要素实现实时动态监测以及数据信息的查询、报表生成等功能。通过实际的地下水监测应用表明该系统设计可靠、功能完善。

参考文献

[1] 程甜华.基于WSN的水资源实时监测数据采集系统的研究[D].南昌大学，2013.

[2] 高雅.中国移动物联卡业务正式商用[J].电信工程技术与标准化，2014（12）：9.

[3] 魏晓妹.地下水资源管理与保护[J].地下水，2013（2）：1-4.