物聯網應用案例：智慧水務

ID:240661 · 發表于 2017-10-18 17:24

智慧水務項目建設內容包括水環境治理設施監測、水務信息資源中心、水務綜合監管平臺（監測監控、治水監督、應急指揮、綜合服務、決策支撐及集成開發）、水務專題應用（包括防汛、環保、排水）等，監管體系如圖1所示。

圖1 智慧水務監管體系

2技術架構

圖2展示了基于物聯網體系結構而設計的水務分層架構模型。按照物聯網體系結構，我們將智慧水務架構抽象為4個層：感知層、網絡層、平臺層、應用層。

圖2 水務分層架構模型

3關鍵設計決策

任何架構和設計決策，最終都是解決業務問題的重大關鍵。智慧水務開發和實施過程中面臨著如下的技術挑戰：

“物”的多樣性和差異性。水務的監測對象包括：閘門、泵站、排海管網、水質檢測站等。監測指標涉及PH值、COD、流量等。監測數據來自于不同的工業傳感器、自動控制系統、智能終端設備、電子標簽，它們運行于不同類型的操作系統或者微控制器上，使用不同的數據協議，如Modbus、DNP3、DL101、OPC等。
“物”所處的網絡環境多樣性。物聯網設備通過不同的方式接入到骨干傳輸網絡中，比如RFID、WIFI、藍牙等。
物聯網應用層協議的多樣性。在鎮海水務項目中，我們采用的協議有MQTT、HTTP（REST）、WebSocket。
數據采集、傳輸和處理的實時性。在應急響應、實時監控方面，對數據以及系統響應的實時性有較高的要求。
海量數據的實時處理和存儲、分析。

除此之外，各單位都存在一些已建或在建的系統，數據孤島現象嚴重，難以互連互通。

圖3 智慧水務SCADA系統的邏輯架構

那么，我們是如何解決和應對這諸多挑戰的呢？接下來將重點介紹4項關鍵技術。它們是：

物聯網網關——解決眾多傳感設備的數據采集和處理問題；
海量數據存儲——解決物聯網傳感器產生的海量數據存儲問題；
實時通信——解決數據通信的實時性問題，從“感知層”到“展示層”的上行通信，以及從“展示層”到“感知層”的下行通信；
數據交換與共享——解決不同單位和系統間數據交換與共享的問題。

物聯網網關

智慧水務項目的各類監測設備主要是工業自動化系統的傳感器，如水質PH值、COD等的檢測、流量計、水位計等。Modbus協議是水務水利工業傳感協議的事實標準，此外，OPC協議應用也較為廣泛。雖然是標準協議，但由于各單位已經存在一些原有的自動化監控系統，設備來自不同的廠家，系統也不是一個開發商提供的，所以對Modbus協議的實現方式不完全一致，增加了系統開發和集成的難度和工作量。

針對此類共性需求，項目中我們自主研發了物聯網網關產品。物聯網網關通俗的講就是一個通用的數據采集和通信網關。它內置了對主流數據協議的支持，并且提供自定義插件來實現動態擴展，即對于非內置支持的協議，可支持協議的二次定制開發。開發人員只需要繼承DataSource基類，實現特定的override方法，即可迅速完成一個新“數據源”程序的開發。然后將動態鏈接庫（DLL）通過管理工具發布到物聯網網關服務器，即可實現與特定類型設備和傳感器的通信，如圖4。

圖4 物聯網網關工作原理示意圖

海量數據存儲

智慧水務項目一期接入了諸多的監測廠、站、節點等，不同類型監測指標的采集頻率也不完全相同。根據統計，所有節點一天上報的監測數據約為4.32億條，1年下來就是1500億條記錄，約7.2TB。

基于以上的容量規劃，經過技術調研和可行性驗證，我們最終選擇采用MongoDB數據庫作為實時數據的持久化存儲。

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