应急环境监测可视化系统的设计与实现

吕贵杰　潘淼鑫　陈崇成　黄正睿　陈玉娇

【摘   要】   为了实现实时应急环境监测，设计并研发了能够与无线传感自组网结合、实时接收传感器节点数据的桌面端可视化系统。系统集成GMap.net、串口通信技术和数据库技术，与网关节点进行串口通信，能够实时接收传感器传输的环境参数和地理位置等信息，并具有环境参数实时显示、趋势分析、系统报警、节点地理位置显示和管理等功能。系统在福州大学国家科技园进行了测试，能够稳定运行，可为应急响应提供数据支撑和决策支持。

【关键词】   应急环境监测;无线传感网;串口通信;数据库

The Design and Development of Emergency Environmental

Monitoring Visualization System

Lv Guijie， Pan Miaoxin， Chen Chongcheng*， Huang Zhengrui， Chen Yujiao

（Fuzhou University， Fuzhou 350100， China）

【Abstract】    To realize real-time emergency environmental monitoring， the desktop terminal-based visualization system is designed and developed， which can connect with self-organizing wireless sensor networks （WSN） and receive sensor data in real time. The system， combining GMap.net， serial communication technology and database technology， communicates with gateways through serials， receives real-time information transmitted by sensors， such as environmental parameters and geographic locations， and has some functions， including real-time environmental parameters display， trend analyses， system alarms， node geographic location display and management， etc. The proposed system is tested in the National Science and Technology Park of Fuzhou University， and the the test result shows it works stably and thus can provide data support and decision support for emergency response.

【Key words】     emergency environmental monitoring; wireless sensor network （WSN）; serial communication; database

0     引言

自然和人為灾害的高度易变性给人们的生命和财产带来巨大的损失，灾害应急要求实时了解灾害区域的现场状况[1-2]，直观显示灾害现场数据，可以为及时可靠地处理突发灾害提供决策支持。地震洪水等大规模灾难可能会导致大规模网络故障，从而导致大规模网络中断和数据丢失[3]，基于公网的数据传输的可用性和稳定性变差，对监测数据的接收和处理造成巨大的挑战。无线传感器网络被广泛应用于各个领域的灾害监测[4-6]。本文在以远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）为无线接入技术组成的无线传感网络基础上，利用串口通信技术与传感网网关进行通信，将传感网络网关接收到的数据实时接入系统，并结合地理信息技术、数据存储和动态图表等技术，更直观地显示传感器的点位信息和数据状态信息，为应急人员合理快速地做出响应提供决策支持。

1     总体设计

1.1   系统总体框架

本系统以满足应急环境监测需要为目标，以数据为核心，串口通讯为纽带。分为四个部分，即数据接入层、数据资源层、应用支撑层、应用层，总体架构如图1所示。①数据接入层是系统数据的来源，传感器采集到的环境参数、位置等数据通过LoRa传输到数据网关节点后，通过串口通讯接入系统;②数据资源层是系统运行的数据保障，将需要的基础地理数据离线下载转换成满足格式的数据包，将主题数据存储在关系数据库中便于查询管理，将地理标记数据存储在内存数据库中方便高性能存取;③应用支撑层为应用提供应用接口，该层将各部分封装成模块，易于管理和扩展，便于供应用层调用，包括用于底图的离线地图模块、用于数据存取的数据访问模块、用于数据接入控制的串口通讯模块等;④应用层不仅实现了环境参数数据和各节点状态信息的实时显示、查询统计、趋势分析功能，还具有阈值管理和应急报警等功能。

1.2   数据存储组织方式设计

系统数据分为空间数据和主题数据两部分。空间数据包括地图数据和传感节点空间数据。地图数据作为底图数据，用于了解应急现场的地理信息。地图包括影像图、地形图等，要满足各种地理地图间的快速无缝切换。不同分辨率的地图离线到本地，以数据库文件方式进行存储。传感节点状态信息以及报警数据使用内存数据库进行管理。主题数据包括环境参数数据、阈值数据，使用关系型数据库管理。

1.3   功能设计

根据应急现场环境参数监测的需求，系统包含地理底图、数据接入实时显示、节点管理、系统报警、统计分析等功能模块，功能结构图如图2所示。①地理底图功能是为系统提供底图，包括底图加载显示、地图平移缩放等基本操作，以及多类型地图的同步缩放;②数据接入实时显示功能将各节点通过LoRa组网传输给数据网关节点的数据通过串口通讯接入系统，并将接收到的数据实时显示;③节点管理提供每个传感器节点状态信息，包括：节点状态管理每个节点实时的异常信息，地图标注根据节点不同状态在地图上以不同颜色显示并显示每个节点的属性信息，节点查询可以查询地图上每个节点对应的记录，以及用于了解当前节点的具体参数;④系统报警功能供使用人员快速获取异常信息。阈值管理供应急人员根据业务需求设置当前环境因子参数的报警临界值，报警管理负责将异常信息反馈到节点状态并在地图上显示，同时将具体异常信息反馈给用户;⑤统计分析功能根据当前时间节点追溯指定时间内的节点信息并做统计分析，还可以将节点各环境参数以图表形式显示，反映环境参数的变化趋势。

2     关键技术与实现

2.1   串口通讯技术

串口通讯是指串口按位发送和接收字节[7]。串口通讯中重要参数有端口号、波特率、数据位、停止位和校验位[8]。端口号是程序获取数据的串行通讯端口，波特率衡量符号传输速率，数据位是指传输一个信息包实际的数据位数，停止位指单个包的最后一位，校验位是通讯过程中的一种检错方式。本系统中采用传感器网关节点的TTL转USB串口将数据接入系统，设备插入电脑时计算机会确定设备与计算机通讯的COM口、波特率等参数设置与传感器传输时参数保持一致。为了在串口通讯中能正确接收数据，设计了数据接收校验流程，如图3所示。

设备连接包括传感器间正确组网、汇聚节点通过串口连接计算机，通过是否正确识别COM口来判别设备连接正常与否。系统初始化包括串口通讯初始化、接收间隔初始化、时间初始化。串口通讯初始化是设置接收数据的波特率、数据位等参数，保证数据正常接收，初始化时间间隔限制接收频率。串口通讯按位发送数据，一条完整数据要分多次接收，接收到的数据要存储至缓冲区并ASCII解码为字符串，才可以根据数据结束标志换行符判断每条数据是否接收完毕。数据验核是对接收数据的进一步检验，包括起始字符、数据长度等是否正确，数据传输协议如图4所示。计算时间间隔判断是否过滤当前数据，具体做法是，获取数据接收时间，计算与前一条提交数据的时间间隔，根据间隔更新时间、处理数据、清空缓冲区。数据提交时是新开启一条线程处理并显示数据，并不会影响下一条数据接收。

本系统采用的串口通讯检验机制，保证了终端汇聚节点到系统数据的稳定传输，并滤除了数据传输过程中的错误数据及冗余数据，有利于系统的正常运行。

2.2   数据存储

（1）文件存储

文件存储是指数据以文件方式存储。系统采用GMap.net控件处理地理数据，将需要的地理数据存储为gmdb格式的文件[9]，在Map层指定地理数据类型和来源，利用GMaps类的实例加载管理地理文件数据。

（2）关系型数据库存储

关系型数据库采用关系模型存储数据库，由一系列行和列组成的表组成，具有使用方便、便于维护、支持复杂查询的特点，适用于数据量不是很大、安全性能要求高的数据[10]。故对传感器数据、阈值数据、报警数据使用关系数据库进行组织存储。传感器数据表主要存储维护传感器传输过来的环境参数，结构设计如表1所示。

（3）内存数据库存储

Redis是非关系型内存数据库[11]，使用键值对的存储方式，可以高性能修改查询数据。Marker层地理标记数据分为两部分，一部分是节点的地理位置信息，一部分是节点的状态信息。节点的地理位置信息为地理标记的空间数据源，将其存储为Redis的GEO类型，可以实现节点矢量地理数据的快速获取、渲染和计算。节点的状态信息为标记地理的属性数据源，反映当前传感节点的状态，存储在Redis数据库时，存储为Hash类型，其表结构如表2所示。

2.3   数据可视化

2.3.1   动态数据图表

动态数据图表是在接收传感器数据的同时，以图表形式实时动态展示环境参数的变化。采用ZedGraph开源绘图控件，ZedGraph高度灵活，易于扩展，可以查询节点坐标[12]。

ZedGraph绘制曲线主要过程。首先利用GraphPane类设置图像面板的标题、坐标轴名称和范围，使用AddCurve方法添加曲线，包括曲线图例、点坐标序列、曲线颜色等参数[13]。其次，利用ZedGraph实时绘制应急现场环境参数曲线：①初始化创建GraphPane类的实例，该实例用于设置图表字体、横轴、纵轴等信息，默認绘制所有传感器节点的温度曲线;②更新节点列表，根据收到新数据的信息，更新传感器列表，并按节点名称更新环境参数和接收时间坐标对到绘图节点列表，更新或者增加新曲线;③确定当前选中的环境参数和节点，更新横轴数据类型、数据格式、时间范围及步长，设置曲线可见性;④视图刷新，实现动态图的效果，包括横纵坐标和图表曲线的刷新。

2.3.2   多图层同步显示

多图层同步显示是多图层空间数据在系统中同步缩放、移动和显示的技术。这是快速获取信息，增加系统可用性的基础技术。Gmap.net由三层组成，分别为Map层、Overlay层、矢量数据层（Route，Markers，Polygon）。节点与地图同步显示，将节点遍历添加至Marker层，将Marker层绑定在Overlay层，然后绑定在Map层，实现节点标记数据与底图数据同步。不同底图放置在不同Map层，节点标记数据数据量小，直接放在内存数据库中，切换底图时清空各Map层标记，并将标记数据绑定在当前显示Map层，实现标记数据与多底图之间的同步缩放平移。底图缩放平移是图层层级和中心位置的变化，同步底图显示层级和底图中心完成底图间的同步，重写Map的PositionChanged和MapZoomChanged函数，将其他底图的缩放层级和底图中心与当前图层保持一致，设置标识标记当前选中图层，只有被标识的图层才能进行同步操作，避免漫游图层时图层间无限调用而导致系统崩溃。

3     系统测试

系统测试选用联想品牌计算机，其基本参数为i7处理器，8GB电脑内存，Windows10操作系统。测试过程中数据采集节点、中继节点和网关节点均部署在福州大学旗山校区阳光楼附近（26°03′31.80″N，119°11′33.40″E）。

测试过程中对系统的关键参数设置为，系统和传感器之间的串口通讯，端口号为COM1，波特率为9600bps，数据位默认为8位，停止位为1，设置数据接收的时间间隔为10秒。

节点管理界面包括实时数据、节点状态、报警区域、地图显示四个版块。接收到数据后，校验数据并将最新接收到的数据更新到实时数据版块，实时数据版块按接收时间排序，能迅速获取最新得到的数据;根据设置的阈值信息，检测并在节点状态版块更新节点当前状态，当节点环境参数超出阈值显示节点数据状态异常，当两节点距离过近显示距离状态异常;异常的具体信息在报警区域显示;实时地图版块实时显示节点的位置信息并直观展示节点状态信息，对于异常的节点在地图区域以红色标记显示，正常节点以绿色显示在地图上，双击标记选中实时数据中对应的记录，便于查看当前标记的具体信息。

实时曲线反映环境参数的变化走势。传感器下拉框中包含了所有节点名称，确认需要绘制曲线的节点和环境参数，系统自动完成绘制，并在接收到数据后实时更新曲线。

数据查询可以从数据库中快速获取需要的数据。用户根据需求设置查询条件，查询条件包括设备名称和回溯时间，设备名称有单个节点和所有节点两类选择，回溯时间以分钟为单位。在数据区显示根据用户输入的查询条件查询出的所有数据。

4     结语

本文结合串口通讯成本低、安全性高、对环境要求低的特点，设计了面向应急环境监测的可视化系统。该系统能够成功接收以LoRa作为无线接入技术传输到网关节点的数据，在串口通讯过程中无丢包现象;直观地展示节点的位置和属性信息;感知数据的异常信息并及时报警。测试过程中系统可以可靠、稳定、流畅地运行。针对应急现场出现的网络阻断情况，本系统可与自组无线传感网结合，实时接收、分析可视化应急区域的环境信息，利用节点的空间分布和异常信息了解整个区域的受灾情况，对于提供决策支持、开展应急工作、提高应急效率具有积极作用。

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