水务物联网感知终端的研制

摘 要：介绍了物联网与互联网的区别，同时结合水务的监控监测对象和监测参量，分析了水务物联网感知终端的技术特征，提出了水务物联网感知终端的研制思路，给出了水务物联网感知终端的技术架构和技术实现路径。

关键词：物联网；感知终端；研制；技术架构；技术实现

中图法分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）04-0021-03

0 引 言

物联网（Internet of Things）是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命和产业革命。1998年，美国麻省理工学院创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”构想。物联网的概念最早在1998年由美国MIT大学的Kevin Ashton教授提出，把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成物联网，着重的是物品的标记。目前国际上对于物联网尚没有一个公认的定义，比较广泛的解释是，把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中并构成物联网，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以更加精细和动态地管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。在2010年我国的政府工作报告所附的注释中，对物联网有如下的说明：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

1 物联网与互联网的区别

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。但对比物联网与互联网还是有所不同，主要体现在以下几点：

（1）使用对象不同。互联网解决的是人与人的信息沟通问题，物联网解决的是信息化的智能管理和决策控制问题；

（2）终端系统接入方式不同。互联网用户通过端系统的服务器、台式机、笔记本和移动终端访问互联网资源，物联网中的传感器结点需要通过无线传感器网络的汇聚结点接入互联网；

（3）网络端系统数据采集方式不同。互联网主要是实行人与人之间的信息交互与共享，都是在人的控制之下完成的。而物联网的端系统采用的是传感器、RFID，因此物联网感知的数据是传感器主动感知或者是RFID读写器自动读出的；

（4）使用技术不同。互联网主要依赖于有线通讯方式，物联网涉及的技术种类包括无线技术、互联网、智能芯片技术、软件技术，几乎涵盖了信息通信技术的所有领域。

2 物联网关键技术

物联网的技术体系由5部分组成，包括应用层技术、网络层技术、感知层技术、公共技术和支撑技术，其技术体系如图1所示。

图1中，感知层用于实现物理世界中发生的物理事件和数据的采集和感知，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织网络以及多个传感器对数据的协同信息处理过程；

网络层技术能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感网络与移动通信技术、互联网技术相融合；

应用层技术主要包含应用支撑和应用服务层技术。其中应用支撑层技术用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，包括云计算技术、数据挖掘技术和智能信号处理技术；

公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术构架的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量管理；

支撑技术是和物联网紧密相关的其他领域的技术，包括嵌入式系统技术、微机电技术、功率与能量存储技术等。

3 水务物联网感知终端技术特征

3.1 水务监测对象及监测参量

2010年全国开展了第一次水利普查工作，普查任务包括8个专项（北京水务增加了2个专项），普查对象包括10个方面，即河湖、水利工程、经济社会用水、河湖开发治理保护、水土保持、水利行业能力、灌区、地下水取水井、供水工程、排水工程，这10个专项涵盖了所有水利设施。通过梳理分析这些水利设施得到水务监测对象主要包括12类分别为水文站、水位站、雨量站、水库、引调水、橡胶坝、取水口、水源地、自备井、泵站、水闸、排污口，与之对应的监测参量主要有水位、水质、降雨、流量、取水量、用水量、供水量、排污量、压力、发电量、蒸发、泥沙、水深等。这些监测对象有些是需要采集单一监测参量，如单一雨量站、地下水源等，有些是需采集多种监测参量，如水库水闸、泵站引调水、橡胶坝等，各类监测参量的采集信号接口也不尽相同，有开关量、模拟量、串口等。

3.2 水务物联网感知终端技术特征

水务信息采集是水利信息化和自动化建设的重要组成部分，从上世纪七十年代开始水利人就开始从事水务信息采集领域的相关工作，运用传感技术、无线电通信技术、电子技术以及计算机应用等技术实现了水利信息的实时采集与接收，中心能够自动接收各个测站上传的数据，同时可以下发指令获取所需的数据，为防汛调度、水资源管理提供第一手的信息支撑。水利信息采集中的核心设备是信息采集终端，从上个世纪八十年代，水利信息采集终端就开始应用在水利测站的各个站点，在水务信息化的发展中发挥了积极的作用，为水务的管理提供了数据支撑。随着物联网时代的到来和水务精细化管理对实时数据采集的要求日益提高，有必要利用物联网技术研发适合新形势下水务发展的物联网终端设备，该设备既具有物联网的典型技术特征，又满足水务业务应用需求，具体表现在如下几个方面：

（1）水务物联网感知终端并不是全新的产品，它是已有的水利信息采集终端的升级优化，具有小型化、低功耗、低成本、绿色环保等特点；

（2）水务物联网感知终端具有唯一的编码标识，能够入网自动识别，远程进行管理和监控；

（3）水务物联网感知终端是“智能”和“智慧”理念的具体体现。通过一定的协议，实现终端设备的互联网接入，达到远程识别、定位、监控和管理等目的；

（4）水务物联网感知终端也是“与时俱进”的。随着物联网技术的发展，其也是在不断优化升级的。当前处于初级阶段，随着物联网技术的不断发展，物联网核心技术会逐步攻克，标准体系会逐渐完善，感知终端的功能和性能也会不断优化、升级。

4 水务物联网感知终端技术框架与实现

4.1 总体技术架构

根据水务信息采集的数据汇集流向，结合物联网的技术体系，水务物联网感知终端的总体技术架构由4个层面构成，即传感层、采集感知层、数据汇集层和应用配置层，总体技术构架如图2所示。

图2中的传感层主要用于对各类传感器实现事件和数据的采集和感知，包括各类与水文、水利设施运行密切相关的监测量，如水位、雨量、流量等，还有与水务管理相关的信息，如标识、音视频数据等。传感层中的核心设备是传感器，它既可以是简单的物理量转为电信号的变送器，也可以是具有数据分析处理功能的智能传感器。

采集感知层是通过智能感知终端采集传感层的数据，并按照统一的协议实现采集数据的通信与发送。采集感知层的核心设备是智能感知终端，它能够采集多种类型的传感器数据，具备唯一的标识码，接受统一管理，入网自动识别，按照统一的协议实现与前置服务器的通信与数据发送。

数据汇集层是通过数据接收设备来解析接收采集的传感器数据，并将数据存储入库。数据汇集层的核心设备是数据接收设备，为区别于应用系统我们姑且称其为数据前置接收服务器，它与智能感知相匹配，按照统一的协议解析接收一个或多个感知终端传送的数据，多个前置接收服务器部署到不同的物理地点，一旦形成规模可以搭建基础设施池，可以按照云理念（服务器云）加以管理提供基础设施服务（Iass），保障数据汇集层的健壮和安全，各个业务应用单位可以根据自身业务所需从前置服务器上索取采集的数据。

图2 水务物联网感知终端总体技术架构图

应用配置层是配置管理平台，它一方面要对所有的智能感知终端和前置接收服务器进行配置、状态监测等管理，对服务器云进行统一的资源调度和分配；另一方面要对用户提供查询、数据提取等服务功能，各个业务应用单位能够按照一定的应用协议从服务器云上查询、获取所需的采集数据。

4.2 应用结构

在总体架构下，水务物联网感知终端具有更强的兼容性和扩展性，其应用结构如图3所示。水务物联网感知终端可以与传统的水文遥测仪并行，按照统一的协议将采集的数据上传至云服务器群，同时它具有网关的功能，通过有线或无线近距离通信获取水文遥测仪的数据，将水文遥测仪采集的数据上传至云服务器群。智能感知终端还具有水文遥测仪的已有接口和功能，可采集开关量、模拟量、RS232/485等接口类型传感器的数据，将传感数据上传。未来随着物联网技术的发展，小型化、低功耗的智能传感器会投入使用，物联网感知终端留有接口可以通过无线的方式采集智能传感器的数据并上传，同时视频图像也可以利用感知终端将水务设施现场的画面上传至服务器群，供用户调用查看。

4.3 技术路线

水务物联网感知终端服务于水务管理实时信息的采集，其主要功能和性能需要贴合水务管理的实际需要，同时对于不同的水务采集对象又具有不同的个性化需求，因此水务物联网感知终端是一套系列产品，既具有通用的功能和标准接口，也有不同场合不同监测对象个性化的要求。根据这些需求，研发技术路线从三方面加以考虑：

一是采用模块化的设计思想，终端的硬件核心主板考虑通用功能和性能，底板考虑各种应用场合的不同接口，以适应不同传感器和不同传输模式；终端内的应用软件采用模块编程，通过模块的调用来实现不同需求下终端采集的功能；

二是硬件核心选用工业级的ARM芯片，选型上充分考虑存储、低功耗、CPU运行速率等重要性能指标，同时兼顾终端扩展性，充分考虑未来产品的优化升级；

三是电源设计采用统一的电源管理思路，在电路设计上实现各个模块的电源可控，从而实现系统的低功耗运行。

图3 水务物联网感知终端应用结构图

4.4 技术实现路径

硬件采用模块化的设计，以市场主流的ARM为核心CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、RTC、WTD、电源管理等模块，实现终端数据处理、存储、复位、电源管理等功能。核心板之外扩展接口底板，配置数字量输入、数字量输出、模拟量输入、串行RS485/232、通信模块、固态存储、自动校时、LED状态显示等模块，实现对下采集传感器，对上传输采集数据的功能。

软件平台采用Linux操作系统，根据感知终端的主要功能和对外接口，对Linux内核进行剪裁，开发相应的输入、输出、通信接口等驱动程序。同时按照水利行业的相关技术规范和终端的工作流程及工作模式，开发相应的应用程序，中心开发向对应的数据接收软件，实现对水务监测对象的数据采集、状态监测及远程配置等功能。

5 结 语

面临第三次信息革命浪潮，物联网将越来越多地应用到各个行业，走进千家万户。本文从物联网的概念出发，分析了物联网和互联网的区别，给出了物联网的应用层技术、网络层技术、感知层技术、公共技术和支撑技术的技术体系。立足于水务领域，梳理了水务监测对象及其监测参量，分析了水务物联网感知终端的技术特征，设计了水务物联网感知终端的总体技术架构和应用结构，给出了终端产品研制的技术路线和软硬件的实现路径。

参 考 文 献

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