CN102984265A

CN102984265A - 一种基于物联网的水环境监测方法

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Publication number: CN102984265A
Application number: CN2012105180105A
Authority: CN
Inventors: 孙力娟; 常江; 邹志强; 刘林峰; 王汝传; 肖甫; 杜晓玉
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明是一种基于物联网的水环境监测方法，该方法由水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端三部分构成，其中水环境监测传感器网络和基于SaaS架构的云端服务平台连接，基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端连接；所述水环境监测传感器网络和基于SaaS架构的云端服务平台连接是通过3G无线通信技术构建的远距离通信网络相连接，实现了水环境监测传感器网络与基于SaaS架构的云端服务平台的通信链路；所述各种类型的Web终端利用Web浏览器通过互联网访问所述基于SaaS架构的云端服务平台。由于采用了传感器实时采集水环境数据的方法代替人工采样的方法，扩大了水环境的监测范围，增加了监测时空的连续性。

Description

一种基于物联网的水环境监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于物联网技术的水环境监测方法，属于无线传感器网络、云计算技术的交叉领域。

背景技术

水环境监测是一种按照水的循环规律（降水、地表水和地下水），对水的质和量以及水体中影响生态与环境质量的各种人为和天然因素所进行的统一的定时或随时监测。它的意义在于，河流湖泊等水域周围人口密集，水环境对周边的自然和人类的活动影响较大；多种水生生物栖息地，生态系统复杂而且敏感，生态的变化发生时间短且影响时间长，人类对其观察和认识相对困难；所以深入的认识和了解河流生态系统的变化状态和规律，预测和管理河流的水质和水量，有助于人们更好采取措施规范自身行为，减少对河流生态系统的危害。

我国水资源总量为2.8万亿立方米，其中地表水2.7万亿立方米，地下水0.83万亿立方米，水资源总量居世界第六位，人均占有量为2240立方米，在世界银行连续统计的153个国家中居第88位。我国的水资源现状存在总量紧缺、人均占有量低、地区分布不均、水土资源不相匹配、水体污染日益加重、城市缺水情况凸显等问题。城镇化步伐的加快和区域经济的发展，加重了局部水资源的负荷，也加剧了城市地下水的污染，很多城市的地下水均出现了水质富营养化、铁锰超标等问题。水污染问题已经成为我国经济社会发展的最重要制约因素之一，已经引起国家和地方政府的高度重视。我国确定了单位GDP能耗每年减少4%，5年减少20%的目标;主要污染物排放，包括二氧化硫、化学需氧量总量5年内要减少10%的减排目标。在水体污染防治工作中，水质监测工作是污染预警、持续性污染物监测和治理效果评定的重要手段。

传统的水环境监测工作主要以人工现场采样、传感器有线通信、实验室仪器分析为主。其主要的缺点表现在1）监测点少、时间周期长和建站成本高；2）研究对象限于关注某些水域部分区域，不能大规模组网，对水域环境缺乏综合了解；3）只是对被监测水域某段时间和空间内的数据了解，不能多维度，连续动态的全面了解水环境随时空的动态变化；4）监测数据的保存和处理一般存在于中心机房，初期的投入费用和之后的维护费用较大。

针对目前水环境监测的现状，本发明利用物联网技术对现有的监测技术和手段进行改善和提高。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：1）物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；2）其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能监控。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，拓展新的应用领域和应用模式。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现阶段水环境监测点少、建站成本高、监测数据的空间时间不连续和监测数据存放处理成本过高等缺点，提出一种物联网框架下的水环境监测方法。该方法中所用模块包括：基于zigbee的水环境无线传感网络，基于SaaS的高性能多用户计算中心，各种类型的Web终端。三部分合作形成了从信息采集、传输、处理和终端显示的一站式服务，提高了水环境监测数据在空间和时间上的连续性，降低了数据监测人力物力成本，并且能够对水环境监测数据进行智能分析和决策，最终目的为科学研究、决策制定和宣传教育等提供准确客观的数据。

技术方案：本发明的基于物联网的水环境监测方法由水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端三部分构成，其中水环境监测传感器网络和基于SaaS架构的云端服务平台连接，基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端连接；

所述水环境监测传感器网络和基于SaaS架构的云端服务平台连接是通过3G无线通信技术构建的远距离通信网络相连接，实现了水环境监测传感器网络与基于SaaS架构的云端服务平台的通信链路；

所述各种类型的Web终端利用Web浏览器通过互联网访问所述基于SaaS架构的云端服务平台。

所述水环境监测传感器网络包括：水温传感器、光照强度传感器、PH值传感器、无线通信模块、无线网关。

所述水温传感器、光照强度传感器、PH值传感器分别与所述无线通信模块相连从而组成传感器节点，所述传感器节点互相连接成为水环境监测传感器网络。

所述基于SaaS架构的云端服务平台包括：Web服务器、隔离区、核心服务层、数据库群；所述Web服务器与所述隔离区相连；所述隔离区与所述核心服务层相连；所述核心服务层与所述数据库相连。

其中，所述Web服务器包括：水环境人机交互Web渲染模块和水环境人机交互自定义Web服务模块；所述隔离区包括：网络安全保障模块和网络服务载荷均衡模块；所述核心服务层包括：安全服务模块、基于租户编号的核心模块、元数据服务模块；所述数据库群包括：集中式租户账户数据库、共享数据库、集中式租户元数据数据库。

所述各种类型的Web终端为各种能够通过Web浏览器接入因特网的实体。

所述水环境监测传感器网络是利用基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线个域网协议的Zigbee技术，通过传感器节点之间的自组网，同时判断节点间距离，形成树状路由网络，以多跳的方式进行数据传播。

采集数据时：通过水环境监测传感器网络中的各类传感器将各种水环境数据通过多跳的方式发送到传感器网关，之后网关通过3G通信的方式将各种数据传至云端服务平台，云端服务平台将这些数据收集并存储至数据库。查看历史或实时数据时：各租户通过各种类型的Web终端向云端服务平台发出环境监测指令，云端服务平台通过对不同租户的识别，从数据库中提取各类水环境监测参数，同时经过架设在云端服务平台上的各种应用程序处理进而反馈给各租户。

有益效果：本发明提供一种基于物联网的水环境监测方法，在数据的远程监控方面利用了基于SaaS的云端服务平台，与现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法，由于采用了传感器实时采集水环境数据的方法代替人工采样的方法，扩大了水环境的监测范围，增加了监测时空的连续性，使得研究人员能够多维度、连续动态的全面了解水环境随时空的动态变化。

2）本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法，由于采用了无线传输，实现了多种水环境参数的低成本分布式监测与管理，大大减低了生产成本，同时使整个水环境监测系统设计结构更合理、更简单、操作更方便。

3）本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法，由于采用了基于SaaS的云端高性能计算中心，所有监测站点的数据和相应的应用软件运行在云端服务平台，监测站点的初期投入成本低。同时，相应的研究人员、院校等需要水环境监测数据的用户能够按需付费，减少获取监测数据的成本。

附图说明

图1为本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法的总体结构示意图。

图2为本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法中无线传感器网络的拓扑结构示意图。

图3为本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法中无线传感器网络协调器节点软件流程图。

图4为本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法中无线传感器网络路由节点和一般的水环境监测传感节点软件流程图。

图5为本发明所述一种基于物联网的水环境监测方法中基于SaaS架构的云端服务平台的示意图。

具体实施方式

为了实现以上目的，本发明提出一种基于物联网的水环境监测方法，它包括：水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端；水环境监测传感器网络与基于SaaS架构的云端服务平台连接；基于SaaS架构的云端服务平台与各种类型的Web终端连接。

本发明中，水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端三者的作用如下：

1. 水环境监测传感器网络：通过传感节点上的各种传感器采集水环境信息，同时通过自组织的组网方式形成水环境监测传感器网络，其功能是对监测区域的水环境的各项环境参数进行实时测量。

2. 基于SaaS架构的云端服务平台：接受并处理来自多个终端的环境监测信号，实时的接收、存储并运行各种应用程序处理来自水环境监测传感网的各种水环境参数，同时作为多租户的服务平台，可以接受租户需求定制，根据不同租户的需求向研究机构、教育机构和政府机构等提供不一样的服务。

3. 各种类型的Web终端：租户利用各种类型的Web终端，通过Web浏览器连接因特网，从而从所述基于SaaS架构的云端服务平台获取各种服务。

综上所述，水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端三者之间的工作关系为：

采集数据时：通过水环境监测传感器网络中的各类传感器将各种水环境数据通过多跳的方式发送到传感器网关，之后网关通过3G通信的方式将各种数据传至云端服务平台，云端服务平台将这些数据收集并存储至数据库。

查看历史或实时数据时：各租户通过各种类型的Web终端向云端服务平台发出环境监测指令，云端服务平台通过对不同租户的识别，从数据库中提取各类水环境监测参数，同时经过架设在云端服务平台上的各种应用程序处理进而反馈给各租户。

本发明中，作为优选方案，包含三大组成部分：

1. 水环境监测传感器网络；

2. 基于SaaS架构的云端服务平台；

3. 各种类型的Web终端的模块。以上三个组成部分的具体描述如下：

1. 所述水环境监测传感器网络包括水温传感器、光照强度传感器、PH值传感器、无线通信模块和无线网关。特别的，作为进一步优选方案：

1）所述水温传感器、所述光照强度传感器和所述PH值传感器：作为水环境各项数据的采集器，对水温、水中光照强度和水中PH值进行实时感知。

2）所述无线通信模块选用符合Zigbee技术的芯片，利用基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线个域网协议的Zigbee技术，通过传感器节点之间的自组网，同时判断节点间距离，形成树状路由网络，以多跳的方式进行数据传播。

3）所述水环境传感器网络利用无线网关通过3G无线通信技术构建的远距离通信网络相连接，实现了水环境监测传感器网络与SaaS架构的云端服务平台的通信链路。

本发明的优选方案中，所述水环境监测传感器网络中各个模块的工作流程为：对于每一个水环境监测传感器网络节点，通过水温传感器、光照强度传感器和PH值传感器实时的测出水环境各项指标数据，将这些指标数据经由每个节点上的所述无线通信模块通过传感器节点之间的自组网，同时判断节点间距离，形成树状路由网络，以多跳的方式将数据传播至无线网关。

2. 所述基于SaaS架构的云端服务平台包括Web服务器、隔离区、核心服务层、数据库群。其中，所述Web服务器水环境人机交互Web渲染模块和水环境人机交互自定义Web服务模块；所述隔离区包括网络安全保障模块和网络服务载荷均衡模块；所述核心服务层包括安全服务模块、基于租户编号的核心模块、元数据服务模块；所述数据库群包括集中式租户账户数据库、共享数据库、集中式租户元数据数据库。上述各种模块的具体说明如下：

Web服务器：所述Web服务器包括水环境人机交互Web渲染模块和水环境人机交互自定义Web服务模块。主要功能是提供网上信息浏览服务以及根据不同租户提供个性化服务。

隔离区：所述隔离区包括网络安全保障模块和负载均衡器，隔离区的目标是确保把有害的攻击隔离，在可信网络之外和保证可信网络内部信息不外泄的前提下完成网络之间数据的安全交换。

核心服务层：所述核心服务层包括安全服务模块、基于租户编号的核心模块和元数据服务模块。

1）安全服务模块：提供用户登录的安全、数据传输的安全和数据存储的安全。

2）基于租户编号的核心模块：被元数据服务模块调用，根据每个租户不同的租户编号通过与集中式用户账户数据库中的租户数据进行比对来调用相应共享数据库中的数据。

3）元数据服务模块：元数据服务模块是通过核心模块以及用户自定义数据来访问共享数据库。

数据库：所述数据库包括：集中式租户账户数据库、共享数据库、集中式租户元数据数据库。

1）集中式租户账户数据库：存放注册租户的基本信息情况

2）共享数据库：存放业务数据，每个业务表都有一个租户编号字段来说明是属于哪个租户的数据。

3）集中式租户元数据数据库：存储实体的详细信息，它构成了元数据驱动的基础。

本发明的优选方案中，所述基于SaaS架构的云端服务平台中各个模块的工作流程为：用户请求通过Web服务器的解析后，利用网络安全保障模块过滤掉一些攻击，当访问量过大时网络服务载荷均衡模块采用各种分配算法把网络请求分散到服务器集群中的可用服务器上去。当租户请求的信息流到达基于租户编号的核心模块，此模块将租户的用户名及密码和集中式租户账户数据库中的信息进行比对。元数据服务模块利用比对结果以及用户自定义的数据来访问共享数据库中的业务数据，此后通过元数据驱动访问集中式租户元数据数据库得到租户需要的存储实体的详细信息。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所述，基于物联网的水环境监测方法包括：基于zigbee的水环境监测传感器网络，基于SaaS架构的云端服务平台，各种类型的Web终端。首先，水环境监测传感器网络通过传感节点上的各种传感器采集水环境信息，同时通过自组织的组网方式形成水环境监测传感器网络，其功能是对监测区域的水环境的各项环境参数进行实时测量。其次，基于SaaS架构的云端服务平台接受并处理来自多个终端的环境监测信号，实时的接收、存储并运行各种应用程序处理来自水环境监测传感器网络的各种水环境参数，同时作为多租户的服务平台，可以接受租户的需求定制，根据不同租户的需求向研究机构、教育机构和政府机构等提供不一样的服务，最后租户利用各种类型的Web终端，通过Web浏览器连接因特网，从而从所述基于SaaS架构的云端服务平台获取各种服务。三者之间的工作关系为：采集数据时：通过水环境监测传感器网络中的各类传感器将各种水环境数据通过多跳的方式发送到传感器网关，之后网关通过3G通信的方式将各种数据传至云端服务平台，云端服务平台将这些数据收集并存储至数据库。查看历史或实时数据时：各租户通过各种类型的Web终端向云端服务平台发出环境监测指令，云端服务平台通过对不同租户的识别，从数据库中提取各类水环境监测参数，同时经过架设在云端服务平台上的各种应用程序处理进而反馈给各租户。

如图2所述，基于Zigbee的水环境监测无线传感器网络包括协调器节点、起到路由作用的传感节点、一般的水环境监测传感器节点和3G无线网关。协调器作为网络建立中心，同时通过自组织的组网方式建立网状的无线传感器网络；起到路由作用的传感节点是具有网络路由和数据监测功能的传感器节点，用来承担数据的转发和本地数据的采集；一般的水环境监测传感器节点主要功能为监测当前的水环境各项数据，并向外部发送这些数据。无线传感器网络的拓扑结构为树形网络，通过水环境监测节点经由路由节点，最后传至协调器。基于Zigbee的水环境监测无线传感器网络的树形拓扑结构的形成过程为：建立网络初期，协调器建立网状网络，网络中节点通过泛洪的方式向协调器发送自己与其他周围节点的RSSI（Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示）信息，经过初期一段时间的调整，协调器通过RSSI推算得到各节点之间的距离并计算出最优的树形拓扑结构，协调器将此拓扑结构发送至各个路由节点形成水环境监测无线传感器网络的树形拓扑。当有新的节点加入时，新节点向协调器通过泛洪的方式发送用于获取RSSI信息的报文，协调器收到新节点的RSSI信息后，重新调整网络拓扑结构并发送至各个路由节点形成新的树形拓扑。

如图3所述，水环境监测方法中无线传感器网络协调器节点软件流程图的实现过程如下：协调器初始化后建立网络，如果不成功则重新建立网络直到建立网络成功，当有新节点请求加入网络，协调器即存储节点地址和编号，并且准备接受新节点的RSSI信息，之后协调器计算新的网络拓扑结构并且向其他节点发送更新过的拓扑结构。

如图4所述，水环境监测方法中无线传感器网络路由节点和一般的水环境监测传感节点软件流程图的实现过程如下：路由节点和一般的水环境监测传感节点初始化后请求加入网络，若此时网络还未建立，即请求加入网络失败，则继续请求加入网络，直到加入网络成功，加入网络成功后，路由节点和一般的水环境监测传感节点会将本节点的网络地址和编号以泛洪的方式广播至协调器，同时发送的还有本协调器RSSI数据报文，之后起到路由作用的传感节点和一般的水环境监测传感器节点触发计时器，并且开始等待来自协调器的命令。一段时间之后，当起到路由作用的传感节点和一般的水环境监测传感器节点没有接收到来自协调器的拓扑数据并且计时器已经归零，就重新广播RSSI数据报文；当起到路由作用的传感节点和一般的水环境监测传感器节点接收到拓扑数据后就更新自己的路由表并且定时的采集环境数据并更具路由表将数据发送出去。

如图5所述，基于SaaS的云端服务平台包括：Web服务器、隔离区、核心服务层和数据库。

Web服务器包括：水环境人机交互Web渲染模块和水环境人机交互自定义Web服务模块，主要功能是提供网上信息浏览服务以及采样租户的形式，根据不同租户需求提供个性化服务。

隔离区包括：网络安全保障模块和负载均衡器，隔离区确保把有害的攻击隔离在可信网络之外和保证可信网络内部信息不外泄的前提下完成网络之间数据的安全交换。

核心服务层包括：安全服务模块、基于租户编号（租户身份标识）的核心模块、元数据服务模块。安全服务模块提供用户登录的安全、数据传输的安全和数据存储的安全；基于租户编号的核心模块被元数据服务模块调用，根据每个租户不同的租户编号通过与集中式用户账户数据库中的租户数据进行比对来调用相应共享数据库中的数据；元数据服务模块是通过核心模块以及用户自定义数据来访问共享数据库。

数据库包括：集中式租户账户数据库、共享数据库、集中式租户元数据数据库。集中式租户的账户数据库用来存放注册租户的基本信息情况；共享数据库存放业务数据，每个业务表都有一个租户编号字段来说明是属于哪个租户的数据；集中式租户元数据数据库用来存储实体的详细信息，它构成了元数据驱动的基础。

基于SaaS架构的云端服务平台中各个模块的工作流程为：租户请求通过Web服务器的解析后，利用网络安全保障模块过滤掉一些攻击，当访问量过大时采用各种分配算法把网络请求分散到服务器集群中的可用服务器上去。当租户请求的信息流到达基于租户编号的核心模块，此模块将租户的用户名及密码和集中式租户账户数据库中的信息进行比对。元数据服务模块利用比对结果以及用户自定义的数据来访问共享数据库中的业务数据，此后通过元数据驱动访问集中式租户元数据数据库得到租户需要的存储实体的详细信息。

Claims

1.一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：该方法由水环境监测传感器网络、基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端三部分构成，其中水环境监测传感器网络和基于SaaS架构的云端服务平台连接，基于SaaS架构的云端服务平台和各种类型的Web终端连接；

2.根据权利要求1所述一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：所述水环境监测传感器网络包括：水温传感器、光照强度传感器、PH值传感器、无线通信模块、无线网关，

3.根据权利要求1所述一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：所述基于SaaS架构的云端服务平台包括：Web服务器、隔离区、核心服务层、数据库群；所述Web服务器与所述隔离区相连；所述隔离区与所述核心服务层相连；所述核心服务层与所述数据库相连，

4.根据权利要求1所述一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：所述各种类型的Web终端为各种能够通过Web浏览器接入因特网的实体。

5.根据权利要求1所述一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：所述水环境监测传感器网络是利用基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线个域网协议的Zigbee技术，通过传感器节点之间的自组网，同时判断节点间距离，形成树状路由网络，以多跳的方式进行数据传播。

6.根据权利要求1所述一种基于物联网的水环境监测方法，其特征在于：采集数据时：通过水环境监测传感器网络中的各类传感器将各种水环境数据通过多跳的方式发送到传感器网关，之后网关通过3G通信的方式将各种数据传至云端服务平台，云端服务平台将这些数据收集并存储至数据库；查看历史或实时数据时：各租户通过各种类型的Web终端向云端服务平台发出环境监测指令，云端服务平台通过对不同租户的识别，从数据库中提取各类水环境监测参数，同时经过架设在云端服务平台上的各种应用程序处理进而反馈给各租户。