基于物联网的地下水远程监测系统的设计

郭雨　胡胜利　杨同满

摘要：针对目前地下水监测不足造成的各种问题，提出一种基于物联网的地下水远程监测系统的设计方案。首先对物联网的概念和三层架构进行了介绍，然后在三层架构的基础上提出了系统整体设计方案。详细介绍了系统的远程监测端、无线传输网络和监测中心的设计，最后给出了系统工作原理和主要功能。目前该系统已投入到具体的应用当中。实践证明，该系统具有良好的可扩展性和应用性，为相关部门节省了大量人力、物力、财力，得到了相关领导的充分肯定。

关键词：物联网；GPRS；虚拟专用网；无线传输；地下水监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）28-0197-03

Design of Internet of Things-based Groundwater Remote Monitoring System

GUO Yu1，HU Sheng-li1，YANG Tong-man2

（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.College of Meteorology and Oceanography，PLA Univ.of Sci.& Tech，Nanjing 211101，China）

Abstract： Being aimed at the problem of groundwater monitoring at present，this paper presents a design scheme of remote monitoring based on Internet of Things.Firstly，the concept of Internet of Things and its three layer architecture are introduced，and the overall design scheme of system based on the three architecture is put forward.The design of remote monitoring，wireless transmission network and monitoring center of system are introduced in detail.The paper gives Working principle and main functions of system at last.At present，the system has been put into concrete application.It is proved that the system has excellent expandsibility and applicability.It has saved lots of manpower，material resources and financial resources for relevant departments.

Key words： internet of things； GPRS；virtual private network；wireless transmission；groundwater monitoring

我国是一个水资源严重缺乏的国家，虽然总储量占世界第六位，但人均水资源却是世界人均水资源的1/4。地下水资源的合理利用和开采对一个国家的经济发展和生态环境都起着至关重要的作用。改革开放以来，我国的社会经济快速发展，人们生活水平提高的同时也伴随着地下水资源的大量开采，再加之水资源的污染、有关部门缺乏合理规划和有效监管，就安徽本地来说，已经出现了地区性水位下降和枯竭等问题。从而引发了部分地区地面沉降、土壤盐渍化和地裂缝等情况，对地下水资源的有效监测已迫在眉睫。

文献[1]提出了基于GPRS（General Packet Radio Service）-Internet网络和Zigbee网络结合的远程监测系统。文献[2]提出基于无线传感网络的水资源监测系统。本文利用物联网的各种特点和优势，以物联网三层结构为设计原则，提出了基于物联网的地下水远程监测系统的设计方案。

1物联网

1.1物联网的概念

物联网是通过射频识别（RFID）、激光扫描器、全球定位系统、红外感应器、等信息传感设备，遵守约定的协议，把物理实体与物联网相连接，进行信息交换和通信，实现对物体的、定位、跟踪、智能化识别、监控和管理的一种网络[2]。

1.2 物联网的三成架构

感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。主要包括一些基本感应器件和感应器件组成的网络这两部分。感知层我们采用超声波流量计作为采集终端。

网络层解决的是感知层获得的数据长距离传输的问题。它主要功能是接入传输，完成数据的传递和交换，一般分为接入网和传输网两种类型。本系统采用的是GPRS+VPN的无线传输方式，在保证数据安全性的同时又提高了实时性。

应用层解决是数据处理和人机界面的问题。网络层传输的数据被应用层处理并通过各种设备与人交互。系统中利用.NET技术设计系统软件平台，提供了实时和历史数据查询、数据报表和设备报警等相关功能。其三层结构如下图所示：

2系统结构设计

本系统结构主要由远程监控终端、GPRS数据传输网络和监测中心三部分组成，分别对应着物联网的感知层、网络层和应用层。系统结构如下所示：

2.1感知层

数据采集主要通过各类传感器，对地下水的水位、水温、水质等信息进行采集，通过MCU微控制器对采集的信号，比如电流、电压等数据进行A/D转换，将转换后的数据通过标准RS232/485串口传输到现场的从GPRS通信设备上，GPRS模块我们采用SIEMENS公司的MC39I模块，然后经过数据加密处理后传输到GPRS网络。

2.2网络层

GPRS无线网络主要担当着各个监测点和监测终端之间数据传输的桥梁。近年来，随着GPRS网络的不断完善和发展，其在数据传输方面的应用也越来越广泛。GPRS网络几乎无缝覆盖和按流量、话费等资费方式收费的优点，使其应用在地下水资源无线远程监测系统上的性价比和发展前景都是巨大的。本系统采用GPRS+VPN虚拟专用网技术相结合的方式，实现数据安全、稳定、高效的传输。

2.2.1 GPRS通信技术

GPRS是建立在GSM（Global System for Mobile Communication）网络之上，为用户提供高速分组交换数据的新网络业务。它是在GSM原有网络的基础上叠加了一层网络而组成的，网络中增加了GPRS服务支持节点SGSN（Serving GPRS Support Node）、GPRS网关支持节点GGSN（Gateway GPRS Support Node）、计费网关（可选）、边缘网关（可选）等实体，同时通过GPRS骨干网实现各实体之间的连接[3]。该网络的主要优点：

1）高速数据传输

GPRS网络采用的是分组交换技术，通信时数据传输速率最高可达到171.2kb/s。实际传输速率也可达到40kb/s，可以满足各个监测点的数据采集传输的要求，具有良好的实时处理和响应能力。

2）实时在线

网络环境下，各监测点的从GPRS模块与网络保持着实时交互的能力。满足了各个监测点数据采集和实时响应监控中心发来的各种控制指令，实时监测各监测点的工作状态和在线状态。

3）按量计费和覆盖范围广

各远端监测点的从GPRS设备只要正常开机就始终附着在GPRS网络上，按照接收和发送的数据包数量来收取费用，在没有数据包传递时，即使在线，也不会消耗任何费用，一定程度上降低的项目成本。另外水资源监测系统要求数据采集的跨度比较大，要求系统扩展不受地区的限制，GPRS网络由于覆盖范围很广，满足了系统设计的要求。

2.2.2 VPN虚拟专用网

虚拟专用网VPN（Virtual Private Network）是一种在公共通信基础设施上构建的虚拟专用或私有网，通过一个公共网络建立一个临时的、安全的连接，是一条穿过混乱公用网络的安全、稳定的隧道，可以被认为是一种从公共网络中隔离出来的网络。

监测中心的主GPRS模块和各监测点的从GPRS模块接入VPN网络后，中国移动都会为其分配一个固定的IP地址。各设备可以通过PPP、TCP/IP、UDP等协议直接进行数据交互，无需地址转换。另外VPN使用加密传隧协议，阻止截听和嗅探来保证数据安全性。并且为防止身份伪造，要求使用者在使用时发送身份验证，数据完整性和安全性得到充分的保证。

本系统中GPRS网络下VPN的消息流程如下：

2.3应用层

该层主要为监测中心软件的设计。监控中心软件以.NET为开发语言，采用B/S三层架构，分别为表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL），安全性高并且具有良好的可扩展性。结构如下所示：

表示层：表示层主要通过业务逻辑层的类和对象为用户提供可视化的接口和界面，秉承所见即所得的原则，主要包括等水位线生成、电子地图、参数设置、报表和报警等功能。

数据访问层：数据访问层用于存储和修改项目下所需数据和参数。包括监测点实时传输过来并被前置机处理存储的数据、数据库的配置参数、当前数据表和历史数据表。通过数据访问组件提供数据访问接口，隐藏访问数据库的细节。

业务逻辑层：业务逻辑层完成与数据访问层的数据交互的操作。该系统中主要通过监测中心端的前置机完成数据处理并存储在数据库中。主要包括数据采集传输、数据存储处理和监测井端报警控制等。通过数据库类库中的Connection、Dataset和DataReader类用以访问数据库数据，并把数据存在数据集中送往表示层展现。

3系统工作原理和主要功能

3.1工作原理

系统数据传输采用全双工通信方式。远程监测端的流量计等采集设备通过DTU微处理机芯片对采集的信号进行A/D处理，将处理的数据以数据流的形式通过标准RS232/485串口传输到监测端的从GPRS通信模块上，从GPRS模块完成激活与移动基站进行连接，使用TCP/IP和PPP协议将需要发送的数据包封装、加密处理后传输到GPRS网络上。基站的SGSN与网关支持节点GGSN进行通信，GGSN对分组的资料进行相应处理。网络端由于采用GPRS+VPN方式，监测中心的主GPRS模块可以直接对网络传输的数据包进行解析，将解包的数据送往监测中心端的前置机，通过RS232/485串口存入数据库，监控软件从而对采集的数据进行分析处理展示。

系统工作流程如下：

3.2主要功能

1）实时信息监测模块

监控系统通过监测中心端的前置机向各个远程监测点发送AT指令，监测点响应指令或主动对水位、水温、监测点工作状态、设备工作状态和信道是否正常进行监测，通过从GPRS模块将各种数据经由GPRS网络送往监测中心。监测中心将发来的数据按照数据类型进行区分并储存在数据库相应的表中。监测中心能够实时绘制水位柱状图、流量曲线图等过程曲线。它是整个系统的核心模块。

2）数据分析模块

通过对数据库中的历史和实时数据进行分析，绘制相关的曲线图。根据监测端的数据实时绘制水位等值线，用来判断部分地区漏斗状态的变化，为相关管理机构和决策者提供参考帮助。

绘制等值线采用的是美国Golden Software公司编制的surfer软件，它能够轻松制作基底图、等值线图、分类数据图、剖面图、3D曲线图等，已成为气象、地质、水位水利、土地管理工作者必备的专业成图软件。

3）水位流量查询

取水查询可以进行多个用户的水量查询，也可以查询单个用户的用水情况。多用户的查询，系统提供日、周、月、年查询方式。用户从前台软件的下拉列表框中选择需要查询的类型，规定查询需要的时间段后，用水单位的取水流量情况会自动查询出来，同时生成柱状图。

4 结束语

本文利用物联网技术设计了基于物联网的地下水无线远程监测系统，利用.NET技术和GPRS+VPN网络实现了监控中心端的设计和无线传输网络的组建，对远程监测井和地下水可以实现实时动态监测，满足了无需现场工作人员也可以准备监测地下水数据变化的需要。为水利决策者提供了准确、实时、操作便捷的数据，节省了大量的人力、物力、财力。相信随着无线网络技术的发展，该系统会越来越完善，在其他行业也会得到越来越多的应用。

参考文献：

[1] 曹磊.基于无线网络的水资源监测系统的设计与实现[D].保定： 华北电力大学， 2011.

[2] 程甜华.基于WSN的水资源实时监测数据采集系统的研究[D].南昌： 南昌大学， 2013.

[3] 陈秀宏，钱东平，赵瑞明.基于掌上电脑的地下水自动监测系统软件的研究[J].微计算机信息，2006，22（28）：256-258.

[4] 温小莉，柏屏.浅谈物联网技术及其在水利上的应用[J].江苏水利，2011（9）.

[5] 胡胜利，万晋军.基于GPRS的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011（42）.

[6] 冯桂宏，孟繁鑫，程祥.基于GPRS和VPN的农乡配电网远程数据采集系统[J].中国农村水利水电，2011（12）：165-166.

[7] 余国河，吴苏，李鹏，等.Surfer软件在气象资料自动成图中的应用研究[J].电脑知识与技术，2014，10（34）： 8174-8175.

[8] 魏晓妹.地下水资源管理与保护[J].地下水，2013，35（2）.

[9] 胡胜利，胡彪.基于GPRS无线技术的水资源计量监测系统的设计[J].水利水电技术，2010，41（4）：88-89.