水文测报采集物联网系统设计

（江苏省骆运水利工程管理处 宿迁 223800）

1 引言

在水利的水文管理系统中，水文数据的测量、报告属于工作的重点。本设计旨在提供一整套水文数据采集物联网，将传统的主要依赖人工采集、报告的方式改为利用物联网的方式，实现将系统内的各个联网节点的水文数据首先实时传输到管理处集控中心，然后通过移动数据专网接入全省统一的水文自动测报系统平台。

水文自动测报系统平台将原来比较分散的采集方式，通过网络进行连接，并且采用统一的后台服务器，将各个数据采集器上面的数据进行集中处理，见图1。

2 水文自动测报系统设计

水文自动测报系统平台属于智慧水利的重要组成部分，为水利的精准管理提供了重要的数据支撑。本系统设计包括以下两个重要的组成部分：水文数据采集器、水文数据后台管理。

2.1 水文数据采集器

2.1.1 硬件设计

水文数据采集器（DAQ Box，下称采集器）包括：传感器、采集器、传输模块等。采用NXP 公司的工业级32 位Cortex-A7 处理器i.MX6ul 作为主控芯片，主频高达528MHz，无论在稳定性、可靠性还是处理速度，都能完全满足系统需求。外围配备256MB DDR3、512MB NandFlash/4G eMMC，在满足系统稳定运行的同时，留有足够的扩展空间。具有10/100Mbps 自适应网络，方便和本地以太网连接。内置北斗导航模块，采集位置信息以及和后台管理系统保持时间同步。通过4G 通信模块保证数据能实时传输到集控中心的数据服务器。采用WIFI/BT模块方便手机等设备的本地连接，实现在现场使用手机APP 软件上报数据。使用ZigBee 通信模块，实现同一采集器下多个测控点的数据无线采集功能。水文数据采集器硬件框图见图2。

图 1 水文数据采集物联网系统示意图

2.1.2 软件设计

数据采集器使用的是Linux 3.14 系统，文件系统部分采用了Busybox1.4， ubifs 的文件格式，应用软件使用QT4.8.5 来设计。

应用软件的模块主要包括：水文传感器数据采集上报、网络管理、软件版本升级等。

DAQ Box 采集通道设计分为模拟、数字采集方式。通过这些采集通道，能连接包括雨量、水位、流量、风向、风速、温度、湿度等各类型水文数据传感器。将这些数据采集后，统一量化，采用相关的通信协议，将具体的数据发送到数据处理服务器（DPS 服务器）。

网路管理模块主要用来管理当前DAQ Box 设备的网络连接状态。它需要保证设备在有多种连接方式的情况下，至少有一种网络连接方式是稳定、可靠的。如果发生断网情况，需将网络状态通知到负载均衡服务器（LBS 服务器）。

由于DAQ Box 的软件版本在使用过程中，可能存在升级的要求，所以在DAQ Box端设计了远程升级。DAQ Box 端的远程升级是由管理后台主动发起，DAQ Box 端响应，可以分为自动升级和手动升级：自动升级是在后台管理中存放最新版本的DAQ Box 的固件，然后系统自动轮询当前所有在系统中注册的DAQ Box的版本，低于最新版本的则开始升级；手动升级为后台管理者主动点击DAQ Box 的升级选项。

2.2 水文数据后台管理系统

水文数据物联网的管理系统运行在Windows Server 操作系统之上，支持Windows Server 2008 及以上版本，需要Oracle 11g 版本的数据库客户端运行时环境支持。管理系统是水文物联网系统的重要结点，也是整个系统的核心组成部分。它位于前端设备——水文数据采集盒子（DAQ Box）和后台业务系统——数据查询上报系统之间，为双方提供数据交互服务。水文数据后台管理系统包括两个部分：

（1）负载均衡服务，Load Balancing Server（LBS）。主要实现负载均衡功能，负责为设备分配设备管理服务器。通过数据库查询数据处理服务器的负载情况，选择最合适此设备的数据处理服务器分配给请求的设备，实现负载均衡。

（2）数据处理服务，Data Process Server（DPS）。负责对DAQ Box 设备进行配置管理，如向DAQ Box下发配置、命令，接收数据上报的设备信息、告警、响应和请求等常规数据。定时查询数据库中的命令表，若命令表不为空，则获取命令下发到对应的设备。中转设备上报的实时监控数据到WEB 服务器。采集设备上报的告警数据，保存到数据库并转发到WEB 服务器。定时按照水文测报统一平台的数据格式上报水文数据。

图2 水文数据采集器硬件框图

整个系统的软件框图见图3。

图3 水文数据采集物联网系统框图

上面两部分的软件均以控制台的形式独立运行，具体部署时可以将两套软件运行在同一台服务器上面，作为两个程序进程。亦可以根据系统接入的DAQ Box 的数量的具体需求，将LBS 和DPS 分开使用。如果有大量的DAQ Box 要求接入管理，可以使用多台DPS服务器来分别处理DAQ Box的数据，这样设计带来了组网方便，在项目实施的初期，投入也相对较少，能节约成本。

3 系统实现步骤

在实际工作中，将两个服务软件分别运行在两台服务器上，采用这种组网方式，将两台服务器分别称为负载均衡服务器以及数据处理服务器。

3.1 负载均衡服务器

负载均衡服务器（端口：16681）<——>水文数据采集器（DAQ Box）

负载均衡服务器（端口：16692）<——>数据处理服务器（DPS）

负载均衡服务器的程序在操作系统启动后自动运行，开始实现负载均衡的处理，具体实现步骤如下：

（1）监听设备端（DAQ Box）的连接请求，接受设备的连接请求。

（2）接收DAQ Box 端获取DPS 服务器的地址信息的请求。1）通过本地存储的DAQ Box 列表信息，如果不存在，则进行本地数据DAQ Box 设备列表和数据库同步，如果数据库中也没有配置该DAQ Box，则认为非法接入，告警；2）获取最适合此DAQ Box设备的DPS 服务器的地址信息回应给设备；3）最适合此设备的服务器按照如下优先级排序：a.手动配置，通过手动设置将某台DAQ Box 配在某服务器上。b.旧设备，使用上次已经分配的服务。c.新设备，在服务器负载允许范围内，选择逻辑划分一致的服务器分配给设备，比如在同一河流的、同一处管理所内。

（3）完成DPS 服务器分配后，LBS 将相应的分配的DPS 服务器地址发送给DAQ Box 后，DAQ Box设备主动断开与LBS 服务器的连接。

（4）如果所有DPS 服务器即将或已达到满负荷，进行告警。

（5）在数据库中存储DPS 服务器进程的配置信息（服务进程ID，IP 地址，端口，最大允许连接数，当前已经连接数），当所有的DPS 服务器都达到最大连接数，上报告警。

（6）处理设备上报的DPS 服务器不能连接的告警；如果设备多次连接分配的DPS 服务器失败后，向LBS 服务器发送告警，这个功能需要DAQ Box 端的嵌入软件同步实现。

（7）当接收到（6）所示的告警后，写入数据库告警表，同时设置此DPS 服务器状态为异常（后台管理人员看到告警后，修复对应的服务器后，需要重新设置此服务器状态，否则分配服务器会始终认为此服务异常，而不为其分配设备），然后重新为设备分配其他的DPS 服务器。

（8）连接异常的设备，由LBS 服务器来进行告警。LBS 服务器定时查询本地DAQ Box 列表（要定时与数据库同步，差异更新，时间间隔为1s）中安装状态为“正常监控”的DAQ Box 是否已经向分配服务器发起过申请，如果没有则告警。

（9）负责对连接的DAQ Box 设备进行验证，如果是非法license 设备接入，则拒绝为其分配DPS 服务器地址，如果是重复license 多次接入，进行告警。

3.2 数据处理服务器

数据处理服务器（端口：16688）<——>水文数据采集器（DAQ Box）

具体的实现方式如下：

（1）监听DAQ Box设备端的连接，接受连接请求。

（2）维护与DAQ Box 设备端的长连接。

（3）向DAQ 设备转发命令，处理设备响应（实时监控开启、结束命令，重分配命令，重启命令，版本升级）。

（4）接收DAQ 设备上报的告警，将告警存入数据库中。未来得及存数据库的告警，一定要及时备份在本地（特别是在收到重启命令前），如果是收到退出命令，告警等数据未完全存入数据库，则尝试一段时间存数据库，如果存完则安全退出，否则，将未存完的数据保存在本地磁盘（系统事先确定的文件或其他方式），待系统重启时，获取本地磁盘上次未存完的数据，存入数据库（注意重复数据的处理）。

（5）接收DAQ 设备其他请求、命令，进行处理。

（6）DPS 服务器对连接的DAQ 设备合法性进行验证，拒绝非法license 的DAQ 设备连接。

（7）监控自身负载情况，写入数据库，同时通知LBS 服务器。

（8）如果达到或超过最大负载，可以通过配置为拒绝模式，拒绝新设备的接入。

4 结语

江苏省骆运水利工程管理处的水文测控站总计17 个，分布于骆马湖周边及中运河、徐洪河、六塘河、新沂河上，该系统开发完成后，实际运行性能稳定可靠，使用维护方便，满足了骆运管理处的水文数据采集测报要求。同时，该系统不仅适用于中大流域水情数据的采集，而且适用于气象、地震、海洋、森林防火等不同部门的数据采集工作■