面向智慧城市的物联网传感器状态监测与可视化应用

谢润桦　王滨　张蕴明　赵海涛

摘 要：针对传感器种类和数量日益增加的问题，相关管理部门提出对海量异构传感器进行统一管理。针对这一现状，提出一种基于RIA技术的物联网传感器状态监测系统平台，着重阐述了传感器数据传输与解析，传感器状态预警机制及傳感网运行状态可视化等技术。研究结果表明，该方法为物联网运行状态监控提供了数字化的科技支撑手段，进一步提升了北京市西城区物联网传感器管理效率，为城市物联网监测平台提供保障服务。

关键词：物联网；智慧城市；传感器监测；可视化

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

传感器技术作为现代信息技术的三大基础之一，是智慧城市建设的重要组成部分[1]。伴随着智慧城市的建设浪潮，形形色色的传感器分布在城市的各监控点位，实时感知着城市的运行。作为物联网获取数据的终端，传感器自身的运行状态与物联网数据采集的准确性和时效性密切相关[2-4]。一方面，这些传感器的数据传输机制不一，数量庞大，在各自运行系统内呈现“孤岛式”的封闭管理状态[5]；另一方面，传统的物联网传感器运行状态通常需要人工检查，当出现异常数据时需人为判断，并进入现场进行施工维护，需要投入大量的时间和人力以保证传感器数据的正常传输[6]。由于目前缺乏一种统一管理、可兼容性强、高效的传感器状态监测办法，导致城市传感器的资源信息管理、发展规划、调度决策效率低下[2]，进而影响了城市运行管理部门调度指挥的效率。

针对上述问题，本文采用GIS，RIA，传感器等多种技术手段，研发了支撑传感器空间管理、传感器统一接入、传感器异常预警等多项管理业务的物联网传感器运行状态监测系统，该系统改变了传统传感器监测分散的管理模式，提高了传感器状态监测效率，作为物联网监测网络的“硬件保障”，为城市运行管理监督部门提供了一套功能丰富、可满足用户需求的监测管理平台。

1 系统架构

物联网传感器状态监测系统建设基于一系列的标准规范体系以及安全防护体系。为了便于设计与管理，将系统主体划分为4个层次，即设备层、数据层、业务层以及表达层。在安全防护体系下，系统可与城市运行管理平台以及其他部门系统进行数据和服务的共享与交换，物联网传感器状态监测系统总体架构如图 1所示。

系统框架4个层次具体如下：

（1）设备层：设备层主要包含多种感知设备，如雨量传感器、雪量传感器、积水传感器（电子水尺）、倾角传感器（户外大型广告）、牌匾RFID等，这些设备为数据采集服务提供了良好的硬件支撑。

（2）数据层：数据层包括系统建设所需的所有数据资源，具体为基础数据，包括北京市西城区行政区域基本地图数据、传感器地理分布的空间数据、传感器基本属性数据、系统管理数据等；物联网传感器监测数据接收、传感器运行状态采集、运行状态符号图标入库以及跟其他业务系统的数据共享。

（3）业务层：业务层为系统核心层，通过数据库技术等同步传感器数据至系统应用服务器，同时通过系统设备状态规则判断数据是否异常，进而推断传感器设备的运行状态。发现传感器工作异常后可通过系统自主预警，综合地图GIS技术及可视化技术显示于业务前端，将异常消息通过系统和短信及时推送至管理员及运维工作人员。

（4）表达层：表达层分别针对领导、系统管理员、运维人员提供相应不同的各项传感器监测、预警服务，对不同的传感器、工作状态进行文字、颜色、地图坐标的分类表达。

2 系统关键技术

系统数据流设计是将传感器的监测数据及状态信息经由GPRS网络传输到数据服务器中保存入库。经过数据清洗后，传感器监测数据同步至应用服务器，并根据事先设置好的标准体系进行比对、分析，及时发现数据异常问题，向业务层推送异常状态信息，由传感器状态监测系统自主发出预警，短信通知工作人员到达现场处理。其中，系统关键技术包括传感器数据传输与解析，传感器状态预警机制和传感网运行状态可视化。

2.1 传感器数据传输与解析

目前，传感器数据传输主要依靠GPRS无线通信方式，各传感器都有其固有的通信协议，物联网传感器状态监测系统通过解析协议实时接收监测数据。下文以TC401W型无线积水传感器阐述数据为例解析流程。

TC401W积水传感器是一种水位测量装置，由感应式电子水尺和无线发射终端机结合而成。本项目采用120 cm单元长度规格，主要用太阳能电池板供电，配合锂电池使用（3.7 V）可在连续阴雨天气下正常工作25天以上。在分辨率为1 cm的情况下，积水传感器每隔20 s测量一次水位。

根据本项目实际需求，根据不同情况对各传感器设置数据传输规则，主要分为实时数据与增量报两种传输策略。

（1）实时积水数据传输：当传感器长时间测量到积水值为0时，最小可设置每隔1 h发送一次实时数据。

（2）增量报：当传感器测量到有积水时，触发增量报数据传输策略，在6 min内，水位上涨2 cm就会传输增量数据。

传感器通过GPRS无线通信方式将数据传输到指挥中心物联网监控平台服务器并入库。GPRS数据以数据包的形式传输，数据主体包含传感器设备识别码，设备IP地址，传感器电压，数据获取时间，发送时间。通过传感器数据接收软件对以上数据进行解析，提取相应的信息，最终录入数据库。具体流程如图 2所示。

2.2 传感器状态预警机制

传感器通过规则实现运行状态预警。通过计算指挥中心数据库的传感器实时数据表更新时间与当前时间之差，判断传感器有无更新数据。部分传感器传输数据带有自身工作状态，如电压值是否达到预设预警阈值等。

式中：D为某一传感器在数据库中的最新记录与当前时间的时间间隔，Tnow为当前时间，Trecord为该传感器在数据库中最新一条记录的时间，i为该类传感器的某一设备号，j为传感器传输策略识别号。

根据数据库中实时表的数据判断当前传感器的传输策略，得到不同的时间间隔Interval。

式中：R为针对某一类传感器当前的传输策略情景，代表该设备的最新数据获取时间与正常工作时间间隔的比值。

当R≤1时，數据获取正常；当R>1时，数据获取时间超出正常范围，系统出现提醒图标；当R>2时，系统自动通过预设短信号码给相关运维人员发送预警短信息，通知运维人员查看设备运行状况。该方法适用范围广，可建立自定义阈值R。

2.3 传感网运行状态可视化

系统对传感器的不同类别进行分层显示，并设计了一个网络地图接口，系统管理员可通过接口进行增加、删除传感器图层的操作，通过信息管理模块编辑传感器历史维护日志、信息、位置坐标，实现热插拔式传感器系统监测，最终实现对传感器信息的全面掌控。

目前，系统将雨量计、雪量计、电子水尺、沿街广告牌匾、大型户外广告倾角监测器分为5个图层显示。其中，P表示积水传感器，R表示雨量传感器，S表示雪量传感器，Y表示沿街商户牌匾监测传感器，B表示大型户外广告倾角传感器。对每个传感器按运行状态使用4种不同的颜色显示，分别为：正常（绿色）、不正常（紫色）、失效（红色）、禁用（灰色）。另外，使用热配置，电子地图可以更加直观地查看城区传感器的分布情况，有利于指挥中心的统筹管理。此外，系统利用饼状图描述用户选择的时间段内传感器的运行情况，也提供表格导出功能给指挥中心自动生成监控总结文档。

3 系统功能设计

物联网传感器状态监测系统集成了电子地图可视化、传感器状态数据传输、传感器状态监测等技术。系统功能设计如图 3所示，该系统核心功能可分为运行监测、状态查询、维护日志、信息管理4个主要模块。

（1）运行监测模块：可在传感器站点列表内查询需要的站点，点击后即可在地图上定位，配合电子地图，实时了解各传感器的位置；也可通过点击地图上该站点的图标显示传感器的详细信息。该模块使得用户可以对某一特定传感器进行快速定位，查看其运行状态，一目了然，便于使用。

（2）状态查询模块：在地图上显示各传感器在过去选定时间内的历史工作状态，用饼状图实时绘制传感器正常、禁用、失效、不正常的天数占比，也可通过表格的形式统计传感器的工作状态，最终导出表格，得到统计数据。

（3）维护日志模块：按日期、传感器类型、状态类型分别查询传感器的维护记录，也可通过表格等形式展现。此外，用户还可填写日志。

（4）信息管理模块：通过此模块，用户可以实现类型管理、传感器管理、用户管理和日志管理。类型管理是对传感器类型进行编辑；传感器管理是针对某个类型实现传感器的信息编辑；用户管理可以实现用户的信息编辑；日志管理可以查询系统登录历史记录。

4 系统实现与应用实例

4.1 系统实现

系统采用目前流行的B/S软件体系结构，包含基于RIA的WebGIS技术框架，Java和WebService作为后台服务端数据交互，结合物联网技术和Microsoft SQL Server数据库技术，利用ArcGIS Server10.0提供地图服务，最终完成系统建设。

4.2 系统实例应用

本系统已应用于北京市西城区。目前，物联网监测平台运行的雨量计、雪量计、电子水尺、沿街广告牌匾、大型户外广告倾角监测器共119个。

系统实时监测模块实际运行效果如图 4所示。界面核心区域为北京市西城区电子地图，选取积水传感器作为查询对象，包含8个积水监测站点。界面右侧为传感器列表信息，点击任一记录均可查询该传感器的详细情况。

系统历史状态查询模块实际运行效果如图 5所示。选择一个时间间隔，查询指定传感器的状态天数，以饼状图进行可视化显示，即可对这些传感器的历史运行状态一目了然。

5 结 语

随着物联网技术愈发成熟，传感器的种类亦愈加丰富。得益于多种类、密集部署的智能传感器网络，物联网概念得以真正落地并科学应用于城市各管理部门，从而为城市精细化管理提供技术和数据方面的支持。针对传统物联网传感器状态监测耗时费力的现状，基于信息化技术提升传感器状态监测工作效率的需求，建设了物联网传感器状态监测系统，为应急指挥决策提供数据保障。

本文着重讨论了基于数据传输策略的传感器状态甄别方法，并以此运行状态为依据，建立系统级别的预警机制及可扩展的智能传感器网络运行状态可视化方法。该系统实现了异构传感器的集中管理和运行状态可视化，能够有效降低城市物联网传感器运行状态监测的运维工作强度，提高了工作效率。该系统在北京市西城区的物联网监测平台中得到了初步应用，为监测传感器运行状态提供了一个可行性强的管理思路和途径。

参考文献

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