潘洪志

摘要：隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加速， 伴隨環(huán)境問題的日益嚴峻，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為發(fā)展戰(zhàn)略性新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要手段。本文通過分析數(shù)據(jù)采集的OPC通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄DP通信協(xié)議，設計了一個基于OPC/DDP的環(huán)境數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效解決了復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和傳輸以及數(shù)據(jù)可視化展示，同時提高了環(huán)境自動監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸效率和質量。此外通過遠程控制來優(yōu)化環(huán)保治理設計工藝，同時為環(huán)保管理提供可靠的決策支持。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);OPC;DDP;環(huán)境監(jiān)控

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0263-03

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，企業(yè)超標排污、生態(tài)環(huán)境質量惡化問題開始凸顯。當資源環(huán)境問題逐漸成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，各種環(huán)保政策、治污標準陸續(xù)走到臺前;各種污染控制設備也相繼被安裝。物聯(lián)網(wǎng)作為新的信息技術對促進經(jīng)濟發(fā)展具有重大的意義。因此，近些年政府逐步加大對物聯(lián)網(wǎng)應用的研究的投入。在環(huán)保領域，物聯(lián)網(wǎng)的應用還處于起步階段，可是物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保領域的應用將會對我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展具有很深遠的影響。

在環(huán)境保護監(jiān)測中應用物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為發(fā)展趨勢[1]。傳統(tǒng)的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多是采用單一的數(shù)據(jù)采集模式，數(shù)據(jù)采集形式單一，無法實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸，還有無法對采集數(shù)據(jù)進行高效的可視化展示。本文設計基于OPC/DDP的物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動監(jiān)控，采用安全可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，對各類環(huán)境自動檢測設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行智能采集與傳輸，數(shù)據(jù)存儲和可視化，完成環(huán)境感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心、服務支付四個階段，為環(huán)境監(jiān)管提供可靠的決策支持。

2 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術簡介及現(xiàn)狀

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是指在傳統(tǒng)環(huán)保行業(yè)引入自動化和信息化的技術來實現(xiàn)環(huán)境保護科學化管理的系統(tǒng)網(wǎng)絡，通過綜合應用傳感器、全球定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感、紅外探測、射頻識別等裝置與技術，實時采集污染源、環(huán)境質量、生態(tài)等信息，構建全方位、多層次、全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡[1]。推動環(huán)境信息資源高效、精準的傳遞，通過構建海量數(shù)據(jù)資源中心和統(tǒng)一的服務支撐平臺，支持污染源監(jiān)控、環(huán)境質量監(jiān)測、監(jiān)督執(zhí)法及管理決策等環(huán)保業(yè)務的全程智能，從而達到促進污染減排與環(huán)境風險防范、培育環(huán)保戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)、促進生態(tài)文明建設和環(huán)保事業(yè)科學發(fā)展的目的[2]。

目前，國內外物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在污染防治、生態(tài)保護等環(huán)境保護領域發(fā)揮著巨大作用，截至 2015 年上半年已對全國 32 個省、自治區(qū)的9 567家重點污染源實施了自動監(jiān)控，實現(xiàn)了集實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、異常報警和信息傳輸為一體的監(jiān)控網(wǎng)絡。江蘇省已建設完成蘇州地區(qū)重金屬監(jiān)測，太湖的藍藻、氨氮、總氮監(jiān)測[3]。山西省在七百多家重點排污企業(yè)建立了既監(jiān)又控的系統(tǒng)，建成廢氣、廢水、環(huán)保設施工礦監(jiān)控點等5 098個，實現(xiàn)了自動監(jiān)測、監(jiān)視、控制的三位一體[4]。內蒙古自治區(qū)也建成了基于物聯(lián)網(wǎng)理念的環(huán)保監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了基于移動設備的環(huán)境應急和執(zhí)法應用[5]。浙江省嘉善縣也先后完成了“環(huán)保決策綜合信息系統(tǒng)”“智能污染物總量控制系統(tǒng)”“環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)”等 8 套環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

環(huán)保設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)是硬件與軟件相結合的設備。其必須要具備對自動監(jiān)測設備產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行參數(shù)的采集、實時在線通訊、告警管理、遠程控制、數(shù)據(jù)存儲、設備數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)日志、設置等功能。同時還需要具有抗干擾能力強、故障快速處理、數(shù)據(jù)續(xù)傳等功能。

本系統(tǒng)由設備層、網(wǎng)絡層、應用層三個層次組成。環(huán)保設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

3.2 基于OPC/DDP的數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的設計

3.2.1 基于OPC的數(shù)據(jù)采集客戶端的功能設計

數(shù)據(jù)采集客戶端基于OPC開發(fā)，結構如圖2。

數(shù)據(jù)采集客戶端主要由三個部分組成。負責數(shù)據(jù)采集的OPC客戶端、負責數(shù)據(jù)實時處理的數(shù)據(jù)管理模塊、以及負責數(shù)據(jù)發(fā)送的RS232代理。

數(shù)據(jù)采集客戶端采用C#編程，實現(xiàn)OPC客戶端的流程一般包括對象的聲明、服務器的連接、添加組和數(shù)據(jù)項以及數(shù)據(jù)的讀取等。

客戶端實現(xiàn)步驟：

1）.OPC客戶端初始化。在Visual Studio開發(fā)環(huán)境中點擊“項目”后選擇“添加引用”。

2）.OPC對象的聲明與服務器的連接，對象的聲明就是對所需要的數(shù)據(jù)項進行定義。連接遠程服務器必須要有遠程服務器的IP地址和遠程服務器的名稱，然后連接到OPC服務器。

3）.創(chuàng)建組和添加數(shù)據(jù)項。首先創(chuàng)建組，然后設置組屬性，包括組活動狀態(tài)、組的更新時間等。最后添加數(shù)據(jù)項。

4）.OPC數(shù)據(jù)的讀取。

3.2.2 DDP協(xié)議設計

DDP（DTU&DSC Communication Protocol）通信協(xié)議是DTU（Data Transfer Unit）和DSC（Data Serveice Center）之間的通信協(xié)議。DTU（Data Transfer Unit）， 將串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)進行轉換的無線終端設備。DTU廣泛應用于氣象、水文水利、地質、環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)。其核心功能有2.TCP/IP協(xié)議棧、4.串口數(shù)據(jù)雙向轉換功能、.支持保持永久在線、.支持參數(shù)配置，永久保存。DSC（Data Serveice Center）是用于管理DTU與DTU進行數(shù)據(jù)收發(fā)的服務軟件，它需要通過開發(fā)包中的動態(tài)庫來完成和DTU之間的通訊。動態(tài)庫包括了和DTU通訊所需要的全部API函數(shù)。

3.3 基于反向代理的跨域和會話保持的功能實現(xiàn)

3.3.1 反向代理概述

反向代理（Reverse Proxy）方式是通過代理服務器接收網(wǎng)絡上的連接請求，然后將請求轉發(fā)給網(wǎng)絡中發(fā)送請求的客戶端，此時該客戶端就是一個代理服務器。

一般情況下代理服務器只用于代理內部網(wǎng)絡對網(wǎng)絡上的連接請求，客戶端必須指定一個代理服務器。當一個代理服務器能夠代理外部網(wǎng)絡上的主機，訪問內部網(wǎng)絡時，這種代理服務的方式稱為反向代理服務。

3.3.2 基于反向代理的跨域的功能

3.3.3 基于反向代理的會話保持功能

客戶端與服務器經(jīng)常需要通過多次的交互才能完成一次交互。因為交互行為與用戶的身份是緊密相關的，所以，當客戶端進行應用請求的時候，需要通過轉發(fā)數(shù)據(jù)到另外一臺服務器中，然而不能被負載均衡器轉發(fā)至不同的服務器上進行處理。所以我們需要在負載均衡上配置會話保持（Session Persistence）機制。

3.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)保數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控的功能，它分別完成了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)的安全傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等功能。在數(shù)據(jù)采集過程中，使用OPC架構完成數(shù)據(jù)的實時采集;通過DDP的通信協(xié)議，為客戶終端設備和數(shù)據(jù)中心搭建一條無線通信鏈路，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Kafka中，保證數(shù)據(jù)安全發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

在管理功能的實現(xiàn)中，采用B/S架構，利用bootstrap前端框架對設備、DTU、OPC采集客戶端、數(shù)據(jù)的可視化等進行管理。利用反向代理技術解決了會話保持難題，同時加入身份驗證。服務端在用戶登錄的時候設置一個經(jīng)過AES加密的cookie信息，同時將這個值存儲在Redis中，當用戶再次請求時，會把這個帶回來的cookie 信息進行解析，如果服務端能夠正確解析，取出用戶信息，則用戶身份驗證通過，然后查詢用戶的角色，通過角色查詢用戶的菜單列表和接口權限，驗證用戶當前請求的接口是否有權限。管理平臺如圖3所示，管理平臺管理界面包含設備管理、協(xié)議管理、DTU管理、項目監(jiān)控、系統(tǒng)管理等。在主界面里展示了DTU狀態(tài)信息，所有的環(huán)保監(jiān)測點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，異常情況的實時告警等信息。

4 結語

本文設計并實現(xiàn)了一個基于OPC/DDP的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有“跨域管理、會話保持、WEB發(fā)布”等特點，還具有遠程控制、權限管理、預警處理、可視化展示等功能。實現(xiàn)了監(jiān)控業(yè)務的信息化、網(wǎng)絡化、一體化和規(guī)范化。然而，數(shù)據(jù)通過DDP協(xié)議是采用透傳的模式，數(shù)據(jù)的完整性和安全性受到一定的限制，今后的工作將進一步改善協(xié)議規(guī)范，提高安全性。

參考文獻：

[1] 汪先鋒. 基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)架構設計與功能實現(xiàn)[J]. 中國環(huán)境管理， 2013（4）： 53-57.

[2] 張思蘭，熊德明，梅緒東，何敏，張春.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)在涪陵頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管中的應用研究.環(huán)境科學與管理，2016，41（3）：15-18.

[3] 黃君，張虎軍，江嵐，等.太湖藍藻水華預警監(jiān)測綜合系統(tǒng)的構建[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31（1）：139-145.

[4] 李振，杜斌，彭林，等. 山西省污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28（3）：130-135.

[5] 康佳文，楊培林.內蒙古自治區(qū)環(huán)境信息化總體規(guī)劃的戰(zhàn)略構想研究[J].環(huán)境科學與管理，2015，40（6）：178-181.

[6] 鄒霞芳，陸勵群.嘉善縣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)集成實現(xiàn)環(huán)?！熬ぜ氉鳌? 浙江省企業(yè)參與排污權交易意愿調查[J].環(huán)境保護，2010（9）：53-55.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】