物联网技术在数字湖泊中的应用研究

赵盛萍++羊波++周红明++李璟瑞++周慧++赵海茹++王蕊

摘 要 将物联网技术应用到数字湖泊系统中，利用物联网RFID技术和无线传输功能，实现监测节点和上位机之间的无线传输，来保障数字湖泊系统中数据的实时性、有效性，为湖泊治理提供更加准确、合理的数据支持。

关键词 数字湖泊；物联网；无线传输；ZigBee

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）190-0067-03

数字湖泊是近年来为湖泊污染的治理与保护提出的新思路、新技术。数字湖泊以保护水资源为目的，使湖泊具有科学合理的水位（水量）和较好的水质，在开发、利用水资源的同时，保证湖泊水环境保持在良性的状态。

1 数字湖泊介绍

数字湖泊的建立既可以为相关部门、机构提供一般数据的浏览、信息查询，又可以结合水质、水量等模型复杂的水环境预测、分析，其概念模型如图1所示[1]。

数字湖泊系统中首先通过多种途径建立抚仙湖实时性、动态化的区域环境数据库，其次根据数据库建立数字湖泊的相关模型，其中包括：地理空间模型、水质模型、水量模型、生态环境模型等，这些模型为分析抚仙湖的生态演化或退化提供模型依据，实现在一定周期内模拟、预测水环境变化。以上模型、数据建立好的专家库、知识库可以为数字湖泊的业务管理与决策提供理论和数据支持，最后借助于网络可以实现相关部门、机构间数据的查询、交换与共享，并实现湖泊区域治理与保护措施、政策的上行下达。

2 物联网

从技术架构上来看，物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层[2]，如图2所示。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是通过节点传感器物体进行识别，采集特征信息。网络层由互联网、有线和无线通信网等组成，用于感知层提取的特征信息的传递和处理。应用层是物联网和用户间的交互接口[3]。

3 数字湖泊总体设计

介于相关部门和机构（政府、人大、政协等）、职能部门和研究机构（环保、水利、农业等）不同的需求，在数字湖泊总体设计中可用物联网将现场传感器和智能算法、云计算这些技术相结合起来，而且使用于水质检测、大气监测等范畴[4]。

对数字湖泊的研究主要包括3个方面：水环境监测系统设计、大型水质模型的建立和系统框架设计物联网技术主要应用在水环境监测系统设计中。从水环境监测系统和软件设计两个方面进行分析。

3.1 水环境监测系统设计

如图3所示，水质现场的传感器节点和汇聚节点组成的Zigbee自组织网络以及实现数据通监测、存储和显示的下位机构成了水质实时监测系统的主要部分。GPRS通信用于下位机和监控中心上位机间的通信。现场的传感器节点负责监测水质参数，监测节点间的无线通信使用ZigBee通信技术，ZigBee技术不光有距离近、操作简单、更强的组网能力、降低成本及更高可靠性等特点，充分满足了无线水质监测的需要[5]。

传感器节点用于采集浑浊度、温度、含氧量、pH值等水质指标，传感器完成对监测区域内水体信息的采集，将生物量、物理量或化学量转换为电信号，然后通过信号调理电路的放大、滤波等处理后进行模数转换。将模拟量表示的电信号转换为适合单片机传输、处理的数字信号，其硬件电路设计，如图4所示。

3.2 无线网络通信

ZigBee技术所用的局域网标准是IEEE8

02.15.4标准其特点是耗电量低，根据相关国家标准。ZigBee协议从上到下分别为应用层（APL）、网络层 （NWK）、数据传输层（TL）、媒体访问与控制层（MAC）、物理层（PHY）等。监测节点的设计、通信网络的选择和数据的传输是要考虑的关键问题。监测节点在野外作业要保证监测节点的稳定性、准确性和安全性。要实现远程监测通信网络就需要选择无线通信，可以选择性价比、安全性较高的ZigBee通信技术。

ZigBee的拓扑结构分为3种分别为：星型结构、树状网络或簇状网络、網络结构。星型结构主要用于传感节点少而且不需要传输太远的距离，无线传输可以不通过路由设备直接将采集到的数据从终端设备传输到协调设备，这样既节约了成本又降低了设计的复杂度；树状网络或簇状网络，就像树枝一样层层分丫，越到后面丫枝树越多，对于这样的特点它比较适合传输距离较长、传感节点较集中和较多的无线传输；网络结构它则比较适合所要检测传感节点比较多、传输距离远和节点比较分散的结构[6]。根据湖泊数字监测的要求星型和树状网络较适合水环境监测节点的拓扑结构，如图5所示。

3.3 软件设计

系统软件设计主要在于软件开发平台的搭建和应用程序的设计。系统中采用了三层设计方法。将整个软件系统分为硬件抽象层、系统服务层和应用层，软件系统结构如图6所示。

4 结论

本文结合物联网技术的特点，提出将物联网技术应用到数字湖泊中，以此来实现水环境数据和上位机之间的无线通信，以便于建立实时、全面的水环境数据库。上述数据库有助于建立覆盖面更广、功能更全面、实时性更好的数字湖泊平台，为湖泊的治理提供更有利的技术支持。

参考文献

[1]赵俊三，龚纯伟，严泰来，等.数字湖泊空间分析模型与多尺度数据组织[J].昆明理工大学学报（理工版），2007（3）：91-95.

[2]陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013（1）：168-188.

[3]杨京帅，雷景敏.基于物联网技术的桥梁安全监测与评估关键问题研究[J].公路，2012（9）：70-73.

[4]赵俊三.数字湖泊及其地理空间数据组织问题研究[C]//中国环境科学学会，2010中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷），中国环境科学学会，2010：4.

[5]王小强.欧阳骏.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[6]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011.