CN112833948A - 一种基于NB-IoT的水土保持监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NB‑IoT的水土保持监测系统，包括：传感器节点，测量一个区域范围内的环境参数和土体参数；将采集的数据通过RS485总线采用SDI‑12协议发出；数据采集节点，通过RS485总线接收采集的环境参数和土体参数数据，进行数据存储并通过局域网或NB‑IoT模块实现通信；服务器端，接收局域网或NB‑IoT模块发送的数据，对传感器节点和数据采集节点进行管理，包括用户权限、数据的收集、整理、传输，以及各设备状态的监控。本发明针对目前水土保持监测数据的实时采集效率和共享率低下等问题，综合考虑了水土保持监测系统的行业特点，结合传感信息与地理位置信息，在本地与云端服务器上实现了基于NB‑IoT的实时水土保持监测系统。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT的水土保持监测系统。
背景技术
早期，水土保持监测主要由监测人员通过纸质记录的方式对水土保持信息进行采集，并对数据信息存储以备查询，普遍存在监测效率低下、实时性不高等缺点。此外，由于各监测点的记录方式和记录标准不尽相同，导致采集的数据信息无法统一分析处理，利用率低下。计算机技术的发展为水土保持监测工作带来极大便利，以本地PC端为代表的水土保持监测软件能够对水土信息进行自动化采集、存储与显示，有效提高了数据的处理效率。然而，随着国家对水土保持监测工作的重视，新的监测站点和水土保持采集设备逐年增多，且多分布于荒山、河谷、险滩等人烟稀少地区，不具备安装本地监测计算机系统的条件。加之监测系统软件面临的数据处理量日益庞大，现有以本地PC机为代表的监测方式已不能满足实际需求。因此，如何开发一种能够实时高效地获取数据信息的水土保持监测系统，以便于监测人员远程获取水土保持监测数据，并实现对采集数据的最大程度共享，是当前水土保持监测领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于NB-IoT的水土保持监测系统，将水土信息与地理位置信息进行融合，通过NB-IoT无线网络上传至云端综合管理平台，完成水土信息的实时监控。
本发明采用以下技术方案：
一种基于NB-IoT的水土保持监测系统，包括：
传感器节点，测量一个区域范围内的环境参数和土体参数；将采集的数据通过RS485总线采用SDI-12协议发出；
数据采集节点，通过RS485总线接收采集的环境参数和土体参数数据，进行数据存储并通过局域网或NB-IoT模块实现通信；
服务器端，接收局域网或NB-IoT模块发送的数据，对传感器节点和数据采集节点进行管理，包括用户权限、数据的收集、整理、传输，以及各设备状态的监控。
具体的，传感器节点包含传感器和GPS模块，传感器根据需求采集或定期采集环境参数和土体参数，通过串口与传感器节点进行通信；GPS模块提供每个传感器节点的位置信息。
进一步的，传感器包括通用环境参数传感器和土体参数传感器。
进一步的，GPS模块采用NMEA-0183协议格式，通过串口与主控模块进行数据交换。
具体的，数据采集节点集成有以太网通信模块，NB-IoT通信模块和数据存储模块，以太网通信模块采用SPI串口与服务器端的本地服务器连接，NB-IoT通信模块通过RS232串口与数据采集节点相连；数据采集节点通过RS485总线，采用SDI-12协议接收传感器节点的数据，通过数据存储模块进行数据存储。
进一步的，NB-IoT通信模块与服务器端的云端服务器端连接用于通信。
进一步的，数据采集节点连接太阳能电池板与充电电池组或直接与市电连接，通过RS485为传感器节点供电。
具体的，服务器端包括本地服务器和云端服务器，本地服务器通过以太网与数据采集节点连接，云服务器通过NB-IoT获取数据采集节点的信息。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于NB-IoT的水土保持监测系统，采用NB-IoT技术进行通讯，使得本发明具有低功耗、高可靠性以及低成本；在数据传输上更加便捷，首先让各个终端传感器上的数据通过RS485总线传输到数据采集节点，然后将这些数据一方面通过局域网传输到本地的服务器，然后另一方面再通过NB-IoT技术传输到华为云上，这样就有了对数据传输的双重保障；采用华为云端对数据处理十分方便，而且可以生成实时数据曲线，还具备查询历史数据等很多功能，极大的缩短了开发时间。
进一步的，传感器节点感知测量区域范围内的环境参数和土体参数，并将数据通过RS485总线上传至数据采集节点。
进一步的，大气环境会对土体参数产生误差，故需要测量大气温度、大气湿度、光照量、风力、风向等环境参数。土体参数传感器主要测量土体质量、土体渗漏量、水分、电导率、水势等，土体参数具有局域性，一个测量区域需放置多个。所有传感器节点直接彼此独立，仅通过串口总线与数据采集节点通信。
进一步的，由于土体参数具有局域性，需获取传感器节点的位置信息用以精准监控每个监测区域的水土信息，便于设备的管理和维护。
进一步的，传感器节点采集频率高、数据类型多样；其布置区域一般远离服务器，采用有线传输成本高且易腐蚀；同时传感器节点多位于土体下方，无线信号差。为实现数据的可靠传输，需要设计数据采集节点放置在附近开阔区域，一方面通过串口总线接收传感器节点的采集数据，另一方面将数据进行融合处理后通过无线传输至服务器端。
进一步的，为了减少布线带来的后期安装、维护等成本，选择NB-IoT(窄带蜂窝物联网)无线通信。NB-IoT具有低功耗、低成本、海量接入等特点，非常适宜于物联网应用的开发。
进一步的，水土保持设备常年工作在自然环境较为恶劣的野外，人烟罕至，且市电设施无法保障。太阳能电池板可为整个监控系统提供稳定、持续的电力。
进一步的，为保护私密数据和防止数据丢失，系统采用冗余式设计。数据采集节点一方面将数据(包括私密数据)通过以太网传输至本地服务器进行保存；同时通过NB-IoT将通用数据上传至云端服务器，实现远程数据管理和监控。
综上所述，本发明针对目前水土保持监测数据的实时采集效率和共享率低下等问题，综合考虑了水土保持监测系统的行业特点，结合传感信息与地理位置信息，在本地与云端服务器上实现了基于NB-IoT的实时水土保持监测系统。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为系统总体设计框图；
图2为传感器节点设计框图；
图3为数据采集节点设计框图；
图4为服务器端设计框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明一种基于NB-IoT的水土保持监测系统，包括如下：
传感器节点，测量一个区域范围内的环境参数(如：大气温度、大气湿度、光照量、风力、风向等)和土体参数(如：土体质量、土体渗漏量、土体温度、水份、电导、水势等)；传感器节点间彼此独立，并将采集数据通过RS485总线，采用SDI-12协议与数据采集节点通信。
数据采集节点，通过RS485总线接收传感器节点的数据，进行数据存储并通过局域网或NB-IoT模块与服务器端进行通信，同时具有人机交互和受服务器端管理的功能。
服务器端，对传感器节点和数据采集节点进行管理，包括用户权限、数据的收集、整理、传输，以及各设备状态的监控。
传感器节点经数据采集节点后通过局域网与本地服务器连接，传感器节点经数据采集节点后通过NB-IoT与云端服务器连接。
请参阅图2，传感器节点通过RS485取电，并将数据通过RS485总线，采用SDI-12协议传送至数据传输节点；传感器节点包含各种传感器和GPS模块，各种传感器(包括通用环境参数传感器和土体参数传感器)根据需求采集或定期采集环境参数和土体参数，通过串口与传感器节点进行通信；GPS模块提供每个传感器节点的位置信息，便于后期的产品监测和故障维护。模块采用被广泛使用的标准的NMEA-0183协议格式，通过串口与主控模块进行数据交换。
请参阅图3，数据采集节点集成有以太网通信模块，NB-IoT通信模块和数据存储，以太网通信模块采用SPI串口与本地服务器连接，NB-IoT通信模块通过RS232串口与数据采集节点相连；数据采集节点连接太阳能电池板与充电电池组或直接与市电连接，通过RS485为各传感器节点供电，通过RS485总线，采用SDI-12协议接收各传感器节点的数据，进行数据存储并通过以太网连接本地服务器，或NB-IoT通信模块与云端服务器端进行通信；同时具有人机交互和受服务器端管理的功能。
蜂窝窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)的出现，为水土保持智能传感终端的低功耗、高可靠以及低成本部署提供了有效的解决途径。
请参阅图4，服务器端用于实现对传感器节点和数据采集节点的统一进行管理，包括个人信息管理、系统管理、数据管理、设备管理等。包括本地服务器和云端服务器，本地服务器通过以太网与数据采集节点连接，云服务器通过NB-IoT获取数据采集节点的信息。
一种基于NB-IoT的水土保持监测方法，包括以下步骤：
S1、布置、安装传感器节点和数据采集节点；
在待监测区域指定若干个监测点，每个监测点布置一套监测设备，包括一组传感器节点和一个数据采集节点。传感器节点(包括环境参数传感器、土体参数采集和地理位置传感器)，所有传感器均通过RS485总线与本监测点的数据采集节点连接。各数据采集节点将本监测点数据上传至服务器端。
S2、安装、配置服务器软件；
服务器端环境
1、网络环境
1)10M互联网带宽
2)内外IP地址各1个
3)千兆网卡
4)路由器1个
2、硬件配置基于综合性能的要求，配置服务器要达到以下要求：
1)要求采用标准机架规格主机或主流小型机平台的主流机型，支持多处理器,采用64位处理器。
2)主机的处理能力要求满足的所有应用和一定网络规模的需求，而且需考虑全部系统的开销及应用切换时性能余量。系统设计时应考虑40％的性能冗余；
3)内存容量的配置要考虑到主机正常运行状态下的内存利用率不应大于60％，保证系统在数据流量高峰时仍具有较强的抗冲击能力；
4)主机应支持100Mb/s或1000Mb/s等高速连接接入MDCN或IP承载网的核心局域网；
5)主机的硬盘、网络接口及网络连接均应考虑足够的冗余；支持电源、I/O设备、存储设备的热插拔；
6)主机系统设备应具有适当的扩充能力，包括CPU的扩充、内存容量的扩充及I/O能力的扩充等；并可支持CPU模块的升级和群集内节点数的平滑扩充；
7)主机系统年平均无故障率应大于99.99％。
软件配置表
| 系统软件 | 说明 |
| CentOS 6.3 64-bit | 服务器操作系统 |
| PostgreSQL for CentOS 64-bit | 数据库管理系统 |
| Tomcat 7.0.28for Linux 64-bit | Web Server |
S3、传感器节点将环境参数、土体参数和地理位置信息通过RS485串口传至数据采集节点；
S4、数据采集节点将多个传感器数据进行融合，通过局域网传至本地服务器进行数据存储；同时将数据通过NB-IoT传至云端服务器；
数据采集节点收集到所有传感器信息后，添加该监测点的设备信息，继而将数据二次打包，通过TCP/IP协议发送至本地服务器；通过CoAP协议发送至云端服务器。
S5、在云端服务器发布应用程序，完成数据管理。
综上所述，本发明一种基于NB-IoT的水土保持监测系统设计方法，整个系统由传感器节点、数据采集节点和服务器构成，多传感器节点分布式、独立工作，保证系统工作可靠性；有线通信与无线通信相结合，保证系统通信可靠性；本地与云端服务器冗余式设计，保证数据的安全性。综合考虑了水土保持监测系统的行业特点，结合传感器信息与地理位置信息，实现了水土信息的数据管理和实时监测。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于NB-IoT的水土保持监测系统，其特征在于，包括：
传感器节点，测量一个区域范围内的环境参数和土体参数；将采集的数据通过RS485总线采用SDI-12协议发出；
数据采集节点，通过RS485总线接收采集的环境参数和土体参数数据，进行数据存储并通过局域网或NB-IoT模块实现通信；
服务器端，接收局域网或NB-IoT模块发送的数据，对传感器节点和数据采集节点进行管理，包括用户权限、数据的收集、整理、传输，以及各设备状态的监控。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器节点包含传感器和GPS模块，传感器根据需求采集或定期采集环境参数和土体参数，通过串口与传感器节点进行通信；GPS模块提供每个传感器节点的位置信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，传感器包括通用环境参数传感器和土体参数传感器。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，GPS模块采用NMEA-0183协议格式，通过串口与主控模块进行数据交换。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，数据采集节点集成有以太网通信模块，NB-IoT通信模块和数据存储模块，以太网通信模块采用SPI串口与服务器端的本地服务器连接，NB-IoT通信模块通过RS232串口与数据采集节点相连；数据采集节点通过RS485总线，采用SDI-12协议接收传感器节点的数据，通过数据存储模块进行数据存储。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，NB-IoT通信模块与服务器端的云端服务器端连接用于通信。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，数据采集节点连接太阳能电池板与充电电池组或直接与市电连接，通过RS485为传感器节点供电。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，服务器端包括本地服务器和云端服务器，本地服务器通过以太网与数据采集节点连接，云服务器通过NB-IoT获取数据采集节点的信息。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210525 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |