謝潤樺　王濱　張?zhí)N明　趙海濤

摘 要：針對傳感器種類和數(shù)量日益增加的問題，相關(guān)管理部門提出對海量異構(gòu)傳感器進行統(tǒng)一管理。針對這一現(xiàn)狀，提出一種基于RIA技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺，著重闡述了傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析，傳感器狀態(tài)預(yù)警機制及傳感網(wǎng)運行狀態(tài)可視化等技術(shù)。研究結(jié)果表明，該方法為物聯(lián)網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)控提供了數(shù)字化的科技支撐手段，進一步提升了北京市西城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)傳感器管理效率，為城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺提供保障服務(wù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市；傳感器監(jiān)測；可視化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是智慧城市建設(shè)的重要組成部分[1]。伴隨著智慧城市的建設(shè)浪潮，形形色色的傳感器分布在城市的各監(jiān)控點位，實時感知著城市的運行。作為物聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的終端，傳感器自身的運行狀態(tài)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的準確性和時效性密切相關(guān)[2-4]。一方面，這些傳感器的數(shù)據(jù)傳輸機制不一，數(shù)量龐大，在各自運行系統(tǒng)內(nèi)呈現(xiàn)“孤島式”的封閉管理狀態(tài)[5]；另一方面，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器運行狀態(tài)通常需要人工檢查，當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時需人為判斷，并進入現(xiàn)場進行施工維護，需要投入大量的時間和人力以保證傳感器數(shù)據(jù)的正常傳輸[6]。由于目前缺乏一種統(tǒng)一管理、可兼容性強、高效的傳感器狀態(tài)監(jiān)測辦法，導(dǎo)致城市傳感器的資源信息管理、發(fā)展規(guī)劃、調(diào)度決策效率低下[2]，進而影響了城市運行管理部門調(diào)度指揮的效率。

針對上述問題，本文采用GIS，RIA，傳感器等多種技術(shù)手段，研發(fā)了支撐傳感器空間管理、傳感器統(tǒng)一接入、傳感器異常預(yù)警等多項管理業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測分散的管理模式，提高了傳感器狀態(tài)監(jiān)測效率，作為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的“硬件保障”，為城市運行管理監(jiān)督部門提供了一套功能豐富、可滿足用戶需求的監(jiān)測管理平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)基于一系列的標準規(guī)范體系以及安全防護體系。為了便于設(shè)計與管理，將系統(tǒng)主體劃分為4個層次，即設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層以及表達層。在安全防護體系下，系統(tǒng)可與城市運行管理平臺以及其他部門系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和服務(wù)的共享與交換，物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)框架4個層次具體如下：

（1）設(shè)備層：設(shè)備層主要包含多種感知設(shè)備，如雨量傳感器、雪量傳感器、積水傳感器（電子水尺）、傾角傳感器（戶外大型廣告）、牌匾RFID等，這些設(shè)備為數(shù)據(jù)采集服務(wù)提供了良好的硬件支撐。

（2）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包括系統(tǒng)建設(shè)所需的所有數(shù)據(jù)資源，具體為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括北京市西城區(qū)行政區(qū)域基本地圖數(shù)據(jù)、傳感器地理分布的空間數(shù)據(jù)、傳感器基本屬性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)等；物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、傳感器運行狀態(tài)采集、運行狀態(tài)符號圖標入庫以及跟其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

（3）業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層為系統(tǒng)核心層，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)等同步傳感器數(shù)據(jù)至系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，同時通過系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否異常，進而推斷傳感器設(shè)備的運行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)傳感器工作異常后可通過系統(tǒng)自主預(yù)警，綜合地圖GIS技術(shù)及可視化技術(shù)顯示于業(yè)務(wù)前端，將異常消息通過系統(tǒng)和短信及時推送至管理員及運維工作人員。

（4）表達層：表達層分別針對領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員、運維人員提供相應(yīng)不同的各項傳感器監(jiān)測、預(yù)警服務(wù)，對不同的傳感器、工作狀態(tài)進行文字、顏色、地圖坐標的分類表達。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計是將傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器中保存入庫。經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗后，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)同步至應(yīng)用服務(wù)器，并根據(jù)事先設(shè)置好的標準體系進行比對、分析，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常問題，向業(yè)務(wù)層推送異常狀態(tài)信息，由傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自主發(fā)出預(yù)警，短信通知工作人員到達現(xiàn)場處理。其中，系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析，傳感器狀態(tài)預(yù)警機制和傳感網(wǎng)運行狀態(tài)可視化。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)傳輸與解析

目前，傳感器數(shù)據(jù)傳輸主要依靠GPRS無線通信方式，各傳感器都有其固有的通信協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過解析協(xié)議實時接收監(jiān)測數(shù)據(jù)。下文以TC401W型無線積水傳感器闡述數(shù)據(jù)為例解析流程。

TC401W積水傳感器是一種水位測量裝置，由感應(yīng)式電子水尺和無線發(fā)射終端機結(jié)合而成。本項目采用120 cm單元長度規(guī)格，主要用太陽能電池板供電，配合鋰電池使用（3.7 V）可在連續(xù)陰雨天氣下正常工作25天以上。在分辨率為1 cm的情況下，積水傳感器每隔20 s測量一次水位。

根據(jù)本項目實際需求，根據(jù)不同情況對各傳感器設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，主要分為實時數(shù)據(jù)與增量報兩種傳輸策略。

（1）實時積水數(shù)據(jù)傳輸：當傳感器長時間測量到積水值為0時，最小可設(shè)置每隔1 h發(fā)送一次實時數(shù)據(jù)。

（2）增量報：當傳感器測量到有積水時，觸發(fā)增量報數(shù)據(jù)傳輸策略，在6 min內(nèi)，水位上漲2 cm就會傳輸增量數(shù)據(jù)。

傳感器通過GPRS無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺服務(wù)器并入庫。GPRS數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，數(shù)據(jù)主體包含傳感器設(shè)備識別碼，設(shè)備IP地址，傳感器電壓，數(shù)據(jù)獲取時間，發(fā)送時間。通過傳感器數(shù)據(jù)接收軟件對以上數(shù)據(jù)進行解析，提取相應(yīng)的信息，最終錄入數(shù)據(jù)庫。具體流程如圖 2所示。

2.2 傳感器狀態(tài)預(yù)警機制

傳感器通過規(guī)則實現(xiàn)運行狀態(tài)預(yù)警。通過計算指揮中心數(shù)據(jù)庫的傳感器實時數(shù)據(jù)表更新時間與當前時間之差，判斷傳感器有無更新數(shù)據(jù)。部分傳感器傳輸數(shù)據(jù)帶有自身工作狀態(tài)，如電壓值是否達到預(yù)設(shè)預(yù)警閾值等。

式中：D為某一傳感器在數(shù)據(jù)庫中的最新記錄與當前時間的時間間隔，Tnow為當前時間，Trecord為該傳感器在數(shù)據(jù)庫中最新一條記錄的時間，i為該類傳感器的某一設(shè)備號，j為傳感器傳輸策略識別號。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中實時表的數(shù)據(jù)判斷當前傳感器的傳輸策略，得到不同的時間間隔Interval。

式中：R為針對某一類傳感器當前的傳輸策略情景，代表該設(shè)備的最新數(shù)據(jù)獲取時間與正常工作時間間隔的比值。

當R≤1時，數(shù)據(jù)獲取正常；當R>1時，數(shù)據(jù)獲取時間超出正常范圍，系統(tǒng)出現(xiàn)提醒圖標；當R>2時，系統(tǒng)自動通過預(yù)設(shè)短信號碼給相關(guān)運維人員發(fā)送預(yù)警短信息，通知運維人員查看設(shè)備運行狀況。該方法適用范圍廣，可建立自定義閾值R。

2.3 傳感網(wǎng)運行狀態(tài)可視化

系統(tǒng)對傳感器的不同類別進行分層顯示，并設(shè)計了一個網(wǎng)絡(luò)地圖接口，系統(tǒng)管理員可通過接口進行增加、刪除傳感器圖層的操作，通過信息管理模塊編輯傳感器歷史維護日志、信息、位置坐標，實現(xiàn)熱插拔式傳感器系統(tǒng)監(jiān)測，最終實現(xiàn)對傳感器信息的全面掌控。

目前，系統(tǒng)將雨量計、雪量計、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監(jiān)測器分為5個圖層顯示。其中，P表示積水傳感器，R表示雨量傳感器，S表示雪量傳感器，Y表示沿街商戶牌匾監(jiān)測傳感器，B表示大型戶外廣告傾角傳感器。對每個傳感器按運行狀態(tài)使用4種不同的顏色顯示，分別為：正常（綠色）、不正常（紫色）、失效（紅色）、禁用（灰色）。另外，使用熱配置，電子地圖可以更加直觀地查看城區(qū)傳感器的分布情況，有利于指揮中心的統(tǒng)籌管理。此外，系統(tǒng)利用餅狀圖描述用戶選擇的時間段內(nèi)傳感器的運行情況，也提供表格導(dǎo)出功能給指揮中心自動生成監(jiān)控總結(jié)文檔。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成了電子地圖可視化、傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、傳感器狀態(tài)監(jiān)測等技術(shù)。系統(tǒng)功能設(shè)計如圖 3所示，該系統(tǒng)核心功能可分為運行監(jiān)測、狀態(tài)查詢、維護日志、信息管理4個主要模塊。

（1）運行監(jiān)測模塊：可在傳感器站點列表內(nèi)查詢需要的站點，點擊后即可在地圖上定位，配合電子地圖，實時了解各傳感器的位置；也可通過點擊地圖上該站點的圖標顯示傳感器的詳細信息。該模塊使得用戶可以對某一特定傳感器進行快速定位，查看其運行狀態(tài)，一目了然，便于使用。

（2）狀態(tài)查詢模塊：在地圖上顯示各傳感器在過去選定時間內(nèi)的歷史工作狀態(tài)，用餅狀圖實時繪制傳感器正常、禁用、失效、不正常的天數(shù)占比，也可通過表格的形式統(tǒng)計傳感器的工作狀態(tài)，最終導(dǎo)出表格，得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（3）維護日志模塊：按日期、傳感器類型、狀態(tài)類型分別查詢傳感器的維護記錄，也可通過表格等形式展現(xiàn)。此外，用戶還可填寫日志。

（4）信息管理模塊：通過此模塊，用戶可以實現(xiàn)類型管理、傳感器管理、用戶管理和日志管理。類型管理是對傳感器類型進行編輯；傳感器管理是針對某個類型實現(xiàn)傳感器的信息編輯；用戶管理可以實現(xiàn)用戶的信息編輯；日志管理可以查詢系統(tǒng)登錄歷史記錄。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用實例

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用目前流行的B/S軟件體系結(jié)構(gòu)，包含基于RIA的WebGIS技術(shù)框架，Java和WebService作為后臺服務(wù)端數(shù)據(jù)交互，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，利用ArcGIS Server10.0提供地圖服務(wù)，最終完成系統(tǒng)建設(shè)。

4.2 系統(tǒng)實例應(yīng)用

本系統(tǒng)已應(yīng)用于北京市西城區(qū)。目前，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺運行的雨量計、雪量計、電子水尺、沿街廣告牌匾、大型戶外廣告傾角監(jiān)測器共119個。

系統(tǒng)實時監(jiān)測模塊實際運行效果如圖 4所示。界面核心區(qū)域為北京市西城區(qū)電子地圖，選取積水傳感器作為查詢對象，包含8個積水監(jiān)測站點。界面右側(cè)為傳感器列表信息，點擊任一記錄均可查詢該傳感器的詳細情況。

系統(tǒng)歷史狀態(tài)查詢模塊實際運行效果如圖 5所示。選擇一個時間間隔，查詢指定傳感器的狀態(tài)天數(shù)，以餅狀圖進行可視化顯示，即可對這些傳感器的歷史運行狀態(tài)一目了然。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)愈發(fā)成熟，傳感器的種類亦愈加豐富。得益于多種類、密集部署的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)概念得以真正落地并科學應(yīng)用于城市各管理部門，從而為城市精細化管理提供技術(shù)和數(shù)據(jù)方面的支持。針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測耗時費力的現(xiàn)狀，基于信息化技術(shù)提升傳感器狀態(tài)監(jiān)測工作效率的需求，建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為應(yīng)急指揮決策提供數(shù)據(jù)保障。

本文著重討論了基于數(shù)據(jù)傳輸策略的傳感器狀態(tài)甄別方法，并以此運行狀態(tài)為依據(jù)，建立系統(tǒng)級別的預(yù)警機制及可擴展的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)可視化方法。該系統(tǒng)實現(xiàn)了異構(gòu)傳感器的集中管理和運行狀態(tài)可視化，能夠有效降低城市物聯(lián)網(wǎng)傳感器運行狀態(tài)監(jiān)測的運維工作強度，提高了工作效率。該系統(tǒng)在北京市西城區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺中得到了初步應(yīng)用，為監(jiān)測傳感器運行狀態(tài)提供了一個可行性強的管理思路和途徑。

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