物联网技术在深圳西涌天文—气象综合探测基地管理中的应用

林轶琦　李磊　江崟　庄红波　梅林　黄志彬

摘 要：野外综合科学探测基地的有效管理是保障基地正常有序运行的一项重要前提，而有效的管理取决于能否及时获取基地内各项设施的实时运行数据。该文以深圳西涌天文台为例，提出了应用物联网技术，开发基地综合管理平台的技术思路，该平台实现了以下几种功能：（1）供水系统运行数据实时监控；（2）供电系统运行数据实时监控；（3）基地网络状态实时监控；（4）安防视频系统实时监控；（5）消防系统实时监控。通过该系统，基地管理人员可以高效、快速地获取一些基地运行数据，掌握实时的基地情况，从而为正确的做出应对措施及提前做好规划准备提供参考依据。系统投入使用以来，已产生了明显的管理效益和经济效益，为国内同类大型野外科学探测基地的管理提供了参考。

关键词：物联网 野外探测基地 实时监控 综合管理

中图分类号：P715 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0008-04

Abstract：Effective management is essential to guarantee the fluent operation of the comprehensive scientific field exploration base，which depends on whether the real-time running data of the instruments in the base can be obtained or not.Taking Xichong observatory as an example， this paper introduces how develop an integrated management platform based on the internet of things techniques.The platform have the following functions：（1）Real-time monitoring of the water supply system；（2）Real-time monitoring of the power system and power consumption data；（3）Real-time monitoring of the intranet and internet status；（4）Providing real-time video monitoring images；（5）Real-time monitoring of the fire protection system.Through the platform， the managers of the base could efficiently and quickly obtain the status of the instruments in the base，which will help to make right decisions to cope with possible problems and faults of the instruments.Since the establishment of the platform，obvious management and economic benefit have been obtained，which provide a reference for the similar large field scientific exploration base management.

Key Words：Internet of thing；Field exploration base；Real-time monitoring；Integrated management

深圳西涌天文-气象综合探测基地于2010年9月建成，是国内第一个天文与气象相结合、科普与业务相结合的综合探测基地。基地占地面积超过2.9万m2，位于临海的一座山上且远离市区。基地内除布设有专业天文及气象探测设施外，还建有发电、配电、消防、生活供水、中水处理、视频监控等9套辅助运行系统，运行监控管理工作压力十分巨大。在基地建成的初期，通气、供水、供电及消防设备时有故障，自基地建成以来，经历过发电机输出功率不正常、水温异常、水泵故障失灵、蓄水池水位过低、机房温湿度不正常等多种问题，这些问题影响了基地的正常运转。由于远离市区，基地日常驻守的业务人员数量极为有限，仅靠驻守基地的工作人员人工巡查，很难及时发现问题，从而使得基地不能充分发挥其应有的作用。

事实上，西涌天文-气象综合探测基地所面临的问题，也是国内多数野外大型科学探测基地共同面临的问题。依靠科学技术提升综合监控和管理能力，及时发现各种设备故障，从而提高排除故障的效率，是解决这一问题的必然途径。而解决这一问题的关键，在于及时获得关于设备运转情况的第一手数据，以帮助判断设备的状态，为分析处理故障提供有效支撑。

国际电信联盟（ITU）指出，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网，它是对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力的链接物体与物体的信息网络，全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征[1]，随着物联网技术的日益发展及成熟，运用流行的物联网技术进行开发建设已成必然。近年来，物联网的应用已渗透到各行各业的信息化管理系统当中，诸如交通、农业、气象、医疗等，各行业的智能化管理水平已得到显著的提升[2-6]。将物联网技术用于西涌天文-气象综合探测基地的管理，建成电子化的基地综合管理系统，不仅有助于解决实际问题，直接提升基地的智能化管理水平，也将为国内其他类似基地解决共性问题提供有益的参考。

1 需求分析和功能设计

总体目标：基于物联网技术简称基地综合管理系统，通过该系统可以有效进行设备运行监控，并对基地业务人员进行动态管理，从而提高整个基地的管理效率。实现管理过程的电子化，易于统一归档和存储，为查询统计以及相关物业、维护等事务的跟踪提供技术支撑。

具体需求：（1）对供水系统运行数据实时监控，包括：净水池水位、原水池水位、水净化系统运行状态（工作、待机、故障，下同）、滤芯更换记录、水泵运行状态、蓄水池水位、柴油机状态、加压水泵运行状态、中水处理系统运行状态；（2）对供电系统运行数据实时监控，包括：配电室电器控制设备运行状态、主要参数，发电机状态、开关机记录，发电机房温、湿度，UPS工作状态；（3）对基地网络状态实时监控，主要指基地的光纤工作状态；（4）实时调阅所有安防视频；（5）对消防系统实时监控，包括：七氟丙烷消防系统状态、消防水水位信息、消防水泵状态、消防器材档案；（6）具有阈值触发短信告知功能，当关键设备出现故障，状态信息有所改变时，自动发短信到系统管理员处；（7）可实现人员动态管理，诸如排班、考勤等。

性能需求：服务器端响应时间（从点击了一个页面计时开始，到这个页面完全在浏览器里展现计时结束的这一段时间间隔），数据库信息检索时间最大不超过2 s，平均时间在0.1～1 s以内。客户端响应时间，页面载入时间最大不超过8 s，平均时间在1～3 s以内。CPU占用率：最大80%，正常20%，内存使用率：最大1G，磁盘存储空间不超过50G。单台服务器并发用户数500。

2 功能实现

本系统开发环境基于ECLIPSE平台，使用JAVA进行开发，主体采用B/S架构，便于获得授权的管理人员通过IE浏览器进行查询、分析。系统采用模块化的设计，可以很容易的增加、删除、更新内容模块；系统开发尽可能采用开源软件，或者在其上做开发，以降低开发维护成本。系统总体架构包括6大功能模块，即设备状态实时监控、安防系统状态监控、天文观测设施管理、综合行政、管理人员、管理系统管理及30个小功能模块组成。系统的结构概念图如图1所示。

2.1 硬件设备运行的数据采集

考虑前端设备大部分是基于RS232和RS485的通讯，而且比较分散。但是内以太网络布设较为方便，因此采用RS485转以太网，接入企业网的通讯模式。由于数据的存储量大，而且用户要求进行数据接入服务，所以采用网络数据库SQLServer，以方便用户使用。

对接入设备提供了统一的接口，进行程序开发即可将其他设备接入系统，以发电机、UPS、电量仪以及PLC设备为例分别予以说明。发电机提供了MODBUS通讯协议，也可通过统一接口成功接入。UPS是艾默生Hiplus系列，提供了通讯协议，也成功接入。电量仪协议提供不完整，而且型号不一，协议虽均为MODBUS类型协议，但是并不完全符合MODBUS规范，通过分析其通讯的数据包，进行数据移位比较后寻找出每个协议的具体数据格式，经过多次调试分析，最终也成功接入。一台PLC设备提供了MODBUS接口，根据厂家提供的连接通信参数，成功接入；另一台PLC无法提供现成协议，通过查阅多方资料[7-8]，了解到PLC设备的数据通讯口可通过PPI协议进行数据访问，而PPI协议是西门子的内部协议，参阅该协议的相关资料后，开发出专用的程序来访问，最终也实现了PLC设备的接入。

发电机、UPS电量仪、PLC等设备的成功接入，为实现后台程序统一数据管理起到了决定性作用，使得各“物”的信息最终得以“联网”。数据的采集通过采集终端的开放型TCP/IP接口为后台程序的数据读取提供了连接的桥梁，实现了通过物联网实时数据的读取。

由于有后续二次开发有数据接入的需求，本系统专门定制了一个数据库的表，开发了一个专门程序利用系统的开放型TCP/IP接口，从数据库的实时库中读取数据，保持数据为最新状态，二次开发只需直接访问这个表调取所要的数据，这样解决了直接基于TCP/IP端口访问可扩展性不强、数据量大时访问效率不高、数据的实时性很差、编程难度大，SQL语句也较为复杂等一些弊端。

2.2 功能模块的设计及集成

采集端承担了对本地或远端监控模块的数据采集、数据分析、数据保存和数据转发等功能。而监控端则以图形、列表、文字、仿真控件等多种形式将被监控设备的运行参数展现在用户面前。通过监控系统用户可以实时监测设备的运行状况，及时提示设备的告警，迅速地对远程设备进行遥控。除此之外，监控系统还具有快捷的浏览方式、声光告警提示、告警自动通知、自动化的值班派单系统等强大的功能。

系统承担的综合管理功能包含安全性管理、监控设备的管理、人员管理、工程资料的管理以及运行数据管理，报表等。配置有3部分：分别是采集配置、监控配置和基础数据定义。采集配置是根据具体的硬件模块结构来进行配置。监控配置是用户的界面配置。基础数据定义是维护系统运行的一些通用化数据定义，不涉及到具体的监控对象。它们之间的关系如图2所示。

系统可以实现多平台监控，每个监控台可以配置独立的监控界面和监控对象组合。同时也可以为上级监控中心提供数据服务，组织成多层分布式监控系统，可查询历史数据以及在线控制等，如图3所示。

3 应用及成效

建成后的西涌天文台综合业务管理系统如图4所示，从图4中不难看出，系统一目了然地集中展示了关键系统的运行状态。

从系统投入使用近两年来的成效来看，使基地管理工作化繁为简、化难为易、条理清晰、数据准确及时，大大提升了管理人员的工作效率、减少了工作强度。如图5。

在两年中，通过该系统发现的问题及排除故障的典型案例包括以下4方面。

（1）发电机房环境检测湿度出现异常高值报警13次，通过西涌天文台综合业务管理系统报警短信通知，基地管理人员及时通知驻点电工及时开启通风及抽湿机处理，防止温湿度传感器及烟雾传感器因潮湿造成的误报，防止消防系统因误报警而触发七氟丙烷气体的喷发，避免了不必要的经济损失。

（2）原水池水位检测报警1次，通过西涌天文台综合业务管理平台报警短信通知，台办通知驻点物业工程人员现场检查，发现山下水泵房由于长时间没有下雨而缺水，西涌天文台驻点工作人员在未知的情况下正常用水，最终原水池水位下降到报警值。根据该警示信息，使得工作人员得以及时做好缺水的应对工作，同时避免了水泵因空转而造成损坏。

（3）通过西涌天文台综合业务管理系统的投入运行，管理人员获得了大量基地的运行数据，结合西涌天文台的实际需求，通过科学设备调整运行方式和运行参数，延长设施设备使用寿命，提高能源效率，降低运行成本，据供电局所提供的数据表明，西涌天文台2013年度总能耗比上一年度减少了9.93%，有效实现了节能环保的目标。如图6。

（4）系统投入使用以来，位于野外的西涌基地未发生过任何安全生产责任事故，系统故障总能及时发现并得到快速修复，大大减少了管理人员往返野外基地的次数，降低了因设备故障导致的各类损失，每年约能为所在单位节约人工、能耗、交通等费用10万余元，3年来的累积效益已大大超出建设系统的投入资金。

4 结语

该文介绍了基于物联网的气象探测基地管理系统的开发思路，并以“西涌天文台综合管理系统”为实例，进行系统应用说明。随着物联网技术一日千里的发展，相信在不久的将来将出现更多基于物联网的通信接口协议、采集器及应用传感器，将会有更多的设备可纳入到统一的平台，进行更智能的集中管理。

参考文献

[1] 孔晓波.关于物联网的概念及基本内涵[J].中国信息界，2010（5）：22-23.

[2] 刘唐，彭舰，杨进，等.基于物联网的智能交通流探测技术研究[J].计算机科学，2011，38（9）：67-70.

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[4] 郑笔耕，王恒.面向智能家居和改进UDP协议的低能耗物联网网关设计[J].科学技术与工程，2014，14（7）：253-260.

[5] 王连胜，夏冬艳，汪源，等.基于物联网的现代农业节水灌溉研究[J].科学技术与工程，2011，11（30）：7393-7407.

[6] 罗世亮，程良伦，任斌.面向医疗物联网的一种行为规则入侵检测方法[J].科学技术与工程，2014，14（5）：86-91.

[7] 刘洪星，谢玉山.基于Modbus RTU的串口调试软件的实现[J].计算机技术与发展，2009，19（9）：236-241.

[8] 卢文俊，冷杉，杨建军.基于Modbus协议的控制器远程监控系统[J].电力自动化设备，2003，23（6）：54-56.