CN114167905A - 一种发电站生态流量监管系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发电站生态流量监管系统，属于资源环境监管技术领域。包括服务器、数据采集端、数据库、用户端和管理端；所述服务器连接报文管理后台、用户端后台和管理端后台；数据采集端采集发电站当前水位、流量和图片，通过加密后形成报文，报文管理后台接受并解析数据采集端发送来的数据，经过加密验证后存入数据库；由用户端可发出要求服务器访问数据库的请求，并将要求访问的数据在用户端前台进行展示；数据采集端为一个节能、集成度高的一体机，该一体机内还设置有提高数据传输安全性和真实性的加密狗。本发明具有高效、可靠等优点。
Description
技术领域
本发明属于资源环境监管技术领域，涉及一种发电站生态流量监管系统。
背景技术
我国中小型水电站众多，部分水电站为了追求经济效益，在水电站在未达到发电水位时便会将水闸完全关闭进行蓄水，如此，因截流导至水电站下游长时间的断流，严重破坏水生动植物与水生态系统，以及下游饮水与灌溉，尤其是在枯水期。
为保证水资源与水生态可持续发展，国家水利部及各级水利部门相继出台并实行下泄生态流量集中监测的文件，对所有在用水电站按不低于近10年平均流量的10％进行最小下泄流量核定，要求全天候确保河流下泄流量不低于核定流量，以避免断流造成下游水生动植物与水生态系统遭受破坏，同时也保障下游饮水与灌溉的需要。
具体而言，受到技术层面和监管的实际情况的影响，目前在国家水利部及各级水利部门相继出台并实行下泄生态流量集中监测的文件中，对水电站有如下要求：(1)各监测点每15分钟采集一次水位与流量数据，每小时采集1张实时图片上传各省水利部门监测平台，供省水利厅监管，受国家水利部监督。同时要求，当网络不通、或数据接入平台调试升级期间，无法及时上传的数据和照片，以及个别站点，确实无法解决网络通信问题的，数据和照片需保存在生态流量监测系统本地，要求保存时间不低于3 年，经计算，所求存储空间约为5GB。(2)数据通信协议大多省份采用国家标准协议《SZY206-2016水资源监测数据传输规约》或《水文通信协议规范》，个别省份也有采用自定义通信协议的。
与监管初衷和实际监管要求相比，目前的监管方式存在如下问题：
1.绝大多中小水电站，特别是一些小型水电站，均地处偏远，无通信网络与电力基础设施，生态流量监测解决方案须采用太阳能发电、蓄电池储能、4G网络通信，而实际上，通讯、太阳能发电能力等，在偏远地区可靠性较差。
2.由于太阳能发电受季节、天气影响，同时，太阳能板发电功率与蓄电池容量因成本原因，太阳能板和蓄电池容量不可能太大，通常监测站所用太阳能发电功率100W，蓄电池容量为 12V*100Ah左右，受到日照效率、地理位置和气候的影响，监管设备的成本和监管可靠性存在较大矛盾。
3.常用解决方案中，用于水电站拍照回传至水利监管部门的设备由：(1)4G路由器接入移动、联通、电信等通信运营网络上网(功耗约为1.4W)，(2)RTU(Remote TerminalUnit)远程终端设备(功耗约为2W)，(3)水位计(功耗约为1W)，(4)流量计 (功耗约为1.5W)，(5)工业相机(平均3W)五部分组成，其中，专用RTU设备价格昂贵，通常在8000元左右，全系统工作功耗较高，约为9W左右，在连续阴雨无法由太阳能充电的情况下，蓄电池最多可续航5.5天。
4.由于上述《SZY206-2016水资源监测数据传输规约》或《水文通信协议规范》协议开放，为询问应答交互模式，无连接认证和设备地理位置信息，攻击者可以任何地理位置轻易伪造格式合法，数据接入平台无法辨别真伪的“合法”报文，使数据接入平台接收的数据因失去真实性而失去监测的意义。
5.RTU存在接线与工作参数配置复杂问题，在无专业人员到场时，难以正确安装与配置上线工作，在测站地处偏远，分布极为分散的现实情况下，是难以做到的，即使做到，人力资源成本也会大大提高。此外，在系统异常时，因无法实现远程调试和远程序升级，造成维护困难，维护成本高。
6.此外，通常还存在：(1)工业相机文字叠加功能缺失、或叠加模式单一的问题，影响照片的管理和照片的信息含量；(2) 工业相机拍照后，数据经串口发送给RTU，再由RTU经4G路由器转发至数据接入平台，由于串口标准速率通常工作为9600bps，正常拍照响应时间长达3分钟左右，实时性较差，也约束了照片的清晰度(清晰度越高，由串口标准的照片传输时效性更差)，影响监管质量。
7.数据接入平台：枪机跟服务器创建连接后异常断开，服务器无法检测到当前连接已经断开，连接产生的资源一直不释放，导至资源泄漏，致使系统运行性能降低，甚至无法接入新的连接等问题；现有技术中有采用KEEP-ALIVE来减少资源泄露的情况，但是并不能完全杜绝。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种发电站生态流量监管系统，本发明所要解决的技术问题是提供一种高效、可靠的发电站生态流量监管系统。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，包括服务器、数据采集端、数据库、用户端和管理端；所述服务器连接报文管理后台、用户端后台和管理端后台；
所述数据采集端采集发电站当前水位、流量和图片，通过加密后形成报文，报文管理后台接受并解析数据采集端发送来的数据，经过加密验证后存入数据库；
由用户端可发出要求服务器访问数据库的请求，并将要求访问的数据在用户端前台进行展示；
所述管理端后台可远程实现数据采集端的升级、配置，并能够调取和查询数据库的全部数据；所述管理端后台可对用户端的用户信息进行修改、更改用户端用户的权限、监控数据采集端与报文管理后台的实时在线情况。
进一步的，所述数据采集端为一发电站生态流量监测一体机，所述发电站生态流量监测一体机包括摄像镜头、Sensor、SOC、 Flash、TF卡、GPIO、电源、继电器、以太网、UART转485模块、4～20mA转485模块、外接设备的外接端子；摄像镜头通过凹透镜传递光线至Sensor获得图像信息；SOC对Sensor采集的信息进行编解码、通过GPIO控制继电器、通过以太网传输数据至服务器、通过UART转485模块和4～20mA转485模块进行通信；外接设备的外接端子通过连线连接有电源、补光灯、4G路由器、液位计和流量计。
液位计为485液位计或4～20mA液位计。
进一步的，所述摄像镜头由凹透镜组成，光线通过透镜折射聚焦并滤波照射到Sensor，Sensor表面上的光电二极管受到光线照射产生电荷，将光信号转换为电信号，再通过内部的AD转换为数字信号；
进一步的，所述SOC对Sensor采集的数字信号具有编解码功能、通过以太网传输采集数据，通过扩展TF卡进行高容量存储、通过UART转485模块和4～20mA转485模块获取液位计或流量计采集的数据、通过GPIO控制继电器开关闭合状态；
所述TF卡包括但不限于16G、32G、64G存储容量TF卡；
所述GPIO可控制电子元器件继电器的供电或断电，控制继电器开关的闭合状态，通过继电器开关控制对外部设备的供电；
所述继电器为时间继电器或舌簧继电器；
进一步的，所述以太网采用的网络通信协议包括但不限于TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议；可通过RJ45或无线传输方式与4G路由器建立网络通信；
所述无线传输方式包括Zig-Bee、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带 (Wi-Fi)、超宽带(UWB)和近场通信(NFC)等；
进一步的，所述外接设备的外接端子包括电源输入端子、补光灯供电端子、4G路由器供电及通信端子、485液位计或流量计供电及通信端子、4～20mA液位计或流量计供电及通信端子，可通过连线接入电源、补光灯、4G路由器、485液位计或流量计、 4～20mA液位计或流量计；
镜头将光线集中后投射到Sensor，Sensor是感光图像传感器，可直接将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大后进行模数转换，将转换后的图像数据送SoC片上系统。
SoC片上系统：集成了微处理器、数字信号处理器、FLASH 存储器以及视频与图片处理固件的芯片，该芯片提供软件编程接口，实现视频与图片采集、编码，本系统中典型的，可采用海思 Hi3516、北京君正jzT31等系列芯片实现拍照功能。
SoC芯片提供TF/SD卡扩展总线，连接标准的TF/SD卡卡座，用以实现支持大容量(容量可高达512GB)的数据存储空间，本系统中用以保存所有图片、水位、流量等数据。按照水利部对生态流量监测要求，监测点设备本地需保存至少有年的图片、水位、流量数据，每1小时采集1张图片，每15分钟采集一次水位与流量，通常，一张1920*1080的高清照片，文件大小通常不超过 200KB，每个流量和水位数据的存储，由2个浮点型数据(8个字节)即可保存，由此可计算：若插入1张32GB的TF卡，则可保存(32*1024*1024*1024)/(200*1024+4*8)/(24*365)＝19.15年, 远远大于水利部数据存储要求。
一体化枪机与现有技术相比，具有如下优势：
1、接线简洁。
2、功耗极低。仅为0.8W(约为其他方案功耗的1/4～1/2)，全系统正常工作时平均功耗(含路由器、液位计)约为1.2W。 12V/120AH的电池，大约或续航(12*120VAH)/1.2W＝1200H＝50 天。
3、超大存储容量。自带32GB容量存储卡，图片按200KB计算，可保存照片数据时长大于19年。
4、图片分辨率高,自拍自发响应速度快。图片分辨为 1920*1280，夜间拍照时自动补光提供彩色图片，并可根据网络状态自适应调整，可有效避免蜘蛛结网对图片效果的影响。
5、文字与数据叠加灵活，可远程配置。
6、安装维护方便。提供远程升级、远程调试、远程配置、对时服务等功能，安装后只需记下测站和枪机编号对应关系，保证供电和网络畅通，其它问题不用客户劳心。
7、协议+接入方便。支持水资源协议和水文协议接入，需求大于10台，可免费接入其它平台协议。
8、全系统统一供电。液位计、流量计、4G路由器均采用12V 供电，标配置支持485Modbus协议通信，波特率任意远程可配置，默认9600。其它协议液位计或流量计(如4-20mA模拟信号接入)可按需定制。
由于《SZY206-2016水资源监测数据传输规约》或《水文通信协议规范》协议开放，为询问应答交互模式，无连接认证和设备地理位置信息，攻击者可以任何地理位置轻易伪造格式合法，数据接入平台无法辨别真伪的“合法”报文，使数据接入平台接收的数据因失去真实性而失去监测的意义。
因此，需要对生态流量数据进行防伪加密，本方案中，在一体化枪机内设置有带GPS定位的生态流量监测数据防伪加密狗，带GPS定位的生态流量监测数据防伪加密狗，包括数据接入平台、数据采集与传输终端、MCU、继电器、GPS模块；MCU对数据采集与传输终端采集的数据进行加密处理，MCU通过对继电器的控制实现GPS模块间歇性供电；GPS模块在通电时间内采集位置信息后存储至MCU的RAM；加密后的数据报文通过MCU回送至数据采集与传输终端；数据采集与传输终端将加密后的数据报文传输至数据接入平台。
进一步的，数据采集与传输终端采集的数据包括水位信息、流量信息、图片和时间戳。
进一步的，MCU在接收到数据采集与传输终端发送的数据后，将GPS模块获取的定位信息合并到数据报文并通过加密程序对数据报文整体加密。
进一步的，MCU可通过GPIO信号控制继电器开关的闭合状态，实现对GPS模块供电控制。
进一步的，GPS模块在首次供电工作期间，获取地理位置信息后将位置信息存储至MCU的RAM，保证MCU断电后地理位置信息丢失，在GPS模块下一次供电时需要重新获取地理位置信息，MCU正常工作期间对GPS模块间歇性供电，GPS在供电期间更新地理位置信息。
进一步的，GPS模块通过获取所在位置的经纬度形成所在位置的位置信息。
数据采集与传输终端将采集的数据(含水位、流量、图片、时间戳)传送给带MCU，GPS模块获取定位数据，并与数据采集与传输终端将采集的数据一起，当然，还可以有其它数据，如水电站编号、校验密码等，经加密后将密文返回给数据采集与传输终端，由数据采集与传输终端封装成数据报文，发送给数据接入平台，由数据接入平台解密验证后将合法数据存入数据库。本发明通过加密认证与GPS定位，解决了生态流量监测数据的随意伪造问题。带GPS的数据加密模块的GPS模块只在第一次上电或间隔时间工作，达到低功耗的设计目的。
加密狗中涉及到加密模块，也就是MCU在接收到数据采集端发送的数据后，将GPS模块获取的定位信息合并到数据报文并通过加密程序对数据报文整体加密，这里加入一种基于GPS和时间戳验证的报文传输验证算法，包括密钥生成模块、监测终端和接收服务端，所述监测终端包括：数据采集模块、数据处理模块、数据加密模块和数据发送模块，所述接收服务器端包括：数据接收模块和数据验证模块。
所述密钥生成模块由多个管理员共同输入各自密钥 key_master，同时获取监测站ID，进行Encrypt函数运算后，得出的结果key_monitor传入不同的监测终端。
所述密钥生成模块中，Encrypt函数为自定义的加密函数，通过这个函数可以将多个管理员的密钥共同生成同一个监测终端密钥key_monitor。
所述密钥生成模块中，管理员提供的密钥可以为任意长度的任意字符。
所述数据采集模块，采集数据包括：当前水位、流量和图片，数据采集模块会将采集到的数据传输给数据处理模块。
所述数据处理模块会将数据采集模块的数据、监测站ID和时间戳传输给数据加密模块23，如附图5所示。
所述数据加密模块根据监测站ID、采集数据、监测站经度、监测站纬度、时间戳、随机数RAND和key_monitor进行MD5加密计算。
所述数据加密模块返回值为一个字节的校验码，校验码高四位为随机数RAND的值，低四位取MD5值中第RAND个字节的高四位的值。
所述数据处理模块会将数据加密模块返回的校验码、采集数据、监测站ID和时间戳传输给数据发送模块。
所述数据发送模块将得到的数据封装成数据报文，发送给接收服务器端，该报文格式遵从国家水利监测数据通信报文标准，将数据加密模块返回的校验码替换掉原本的CS校验码。
所述数据验证模块根据需要使用Encrypt函数生成监测站密钥key_monitor，根据加密算法进行运算，提取出校验码与报文内的校验码进行比较，判断当前报文是否有效。
为合理有序开发和利用水资源，保护水生动植物和水土生态环境，全国各级水利部门已出台措施对水利水电设施，加强生态流量下泄流量的监测管理，水资源监测数据接入平台是各级管理部门的数据中心，用以接收所辖区域的监测站点上报的水位、流量、雨量、蒸发量、实时现场图片与视频等数据。由于平台所需接入的监测点数量大，监测站点分布极为分散，外加大多测站地处偏远位置，无可靠的供电和网络通信基础设施，监测站与数据接入平台通信链路极不稳定，因此，高并发性、高可靠性是水资源监测数据接入平台设计的必然要求，(1)为实现高并发性能，需要充分利用服务器硬件系统的所有资源，尤其是多CPU和核心的算力资源，数据接入平台需在每个不同的CPU核上运行1个或多个网络连接监听进程，且这些不同进程所需监听的是同一个端口，所有测站设备根据CPU核利用率情况，由系统分配到CPU核利用率较低的连接监听进程上，实现负载均衡，达到最大吞吐和最高处理性能的目标。(2)不稳定的网络通信条件，会导致监测站设备与接入平台的网络连接异常，异常网络连接如不能及时发现与处理，直接导致网络连接资源的泄漏，致使数据接入平台运行性能不断降低，直到网络连接资源耗尽，再无法接入新的有效连接。 (3)由于水资源监测点需定时拍摄并上传实时图片，图片数据需分片上传，在网络异常情况下，可能出现部部分图片分片数据传输失败的状况，如不及时发现并关闭图片接收业务，会导致下一次的图片无法启动接收，或将不同图片数据接收到一个图片文件中保存的错乱问题。(4)大量监测终端频繁的连接与断开，需要接入平台频繁分配与释放连接资源，采用动态分配与释放连接资源的方法，不仅会降低的连接接入的处理效率，而且可能出现因连接资源分配失败，导致新的网络连接无法正常接入的问题。基于以上原因，实现一种负载均衡高并发的网络连接管理算法具有十分重要的意义。
因此，提供一种水资源监测数据接入平台双时间轮连接管理算法，具体如下：
包含N个连接管理进程、1个连接时间轮转进程、1个图片时间轮进程、1个连接信息节点池、1个连接句柄与连接节点的 HASH映射表、1个空闲信息节点链表；
N个连接管理进程复用同一监听端口，所有并发接入的终端设备连接数据接入平台的同一端口；
N个连接管理进程均布运行于所有CPU的不同的内核上，N 一般取值为全部CPU内核数Cpu_Cores的2倍；
1个连接时间轮转进程，负责所有监测设备连接超时未上报数据的检测，长时间未收到该连接数据报文，判定为连接失效，通知该连接所在连接管理进程主动关闭连接，并释放连接信息节点资源；
1个图片时间轮进程，负责所有已启动图片数据发送的连接超时未完成全部数据报文发送的检测，长时间未完成图片数据接收的图片文件句柄，通知该连接所在的连接管理进程关闭图片文件句柄；
1个连接信息节点池，包含本数据接入平台设定的最大容许并发连接数MAX_CONN个连接信息节点；
1个连接句柄与连接信息节点的HASH映射表，包含 HASH_NODES个散列值，HASH_NODES取值建议设定为本数据接入平台设定的最大并发连接数MAX_CONN/全部CPU内核数Cpu_Cores；
1个空闲信息节点链表，将所有未被占用的连接信息节点单向串连。
连接信息节点包含：监测终端网络连接句柄connect_fd、监测终端网络连接所在连接管理进程号ConnManPid、连接超时节点所在时间槽connectSlot、图片超时结点所在时间槽pictureSlot、第一个图片帧的帧号PictureMaxSeq、图片帧大小 PictureFrameSize、图片文件句柄picture_fd、数据接收缓冲区数据长度DataRecvLen、连接接收数据缓冲区DataRecvBuff[MAXFRAMSIZE]、连接对应测站的地址 StationAddr[5]、图片超时链的前向指针pPictureTimeTurnPrev、图片超时链的后向指针pPictureTimeTurnNext、时间轮上的前向指针pConnectTimeTurnPrev、时间轮上的后向指针 pConnectTimeTurnNext、哈希表上的后向指针pHashNext、空闲链表上的后向指针pIdleNext。
初始时，本数据接入平台向系统申请5个可供所有进程访问的共享内存空间，包括：设定的最大并发连接数MAX_CONN个连接信息节点所需空间、HASH_NODES个散列值所需空间、连接时间轮槽数CONNECTTIMETURN_SLOTS*连接命数 CONNECTTIMETURN_LIFES个句柄空间、图片时间轮槽数 CONNECTTIMETURN_SLOTS*图片文件命数 CONNECTTIMETURN_LIFES个句柄空间、一个保存空闲链表首节点索引号的空间。创建N个复用同一监听端口的连接管理进程、 1个连接时间轮转进程、1个图片时间轮进程，初始化1个连接信息节点池、1个连接句柄与连接节点的HASH映射表、1个空闲信息节点链表。
通过不同度量方法分别对软件开发团队、个体角色和业务目标进行分析，除了可以展示传统的度量方向，如软件项目管理、开发成本、软件质量、开发生产率(千行代码每人月)等单个项目的度量，也可以展示DevOps、云计算、微服务、容器等新技术的大力发展后对于研发效能，研发质量，研发速度，研发健康度等内容的度量指标，满足在不同场景下使用，提高了人们的工作效率。
水资源监测数据接入平台双时间轮连接管理算法包含如下步骤：获取CPU个数和内核数，创建不小于CPU总核数个连接管理进程和两个时间轮转进程，所有连接管理进程复用同一监听端口，负责监测终端设备连接的建立、断开，以及数据报文的接收与发送，大量监测终端设备根据CPU内核负载均衡原则分配到不同连接管理进程，两个时间轮转进程中，一个负责数据连接超时未收到数据的检测，一个负责数据连接超时未收到图片报文的检测。能够将大量终端连接并发负载均衡分配到CPU内核上，采用资源静态分配，保证系统性能的可靠性和稳定性，及时发现并处理失效连接和超时未接收完成的图片文件，保证数据接入平台的长久运行。
附图说明
图1是发电站生态流量监管系统的结构框图。
图2是一体化枪机的结构框图。
图3是带GPS定位的生态流量监测数据防伪加密狗的结构框图。
图4是基于GPS和时间戳验证的报文传输验证算法的总体示意图。
图5为监测终端的具体示意图。
图6为接收服务器端的具体示意图。
图7为密钥生成过程的具体示意图。
图8为数据加密过程的具体示意图。
图9为水位、流量数据报格式的具体示意图。
图10是水资源监测数据接入平台连接管理算法的框架图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，发电站生态流量监管系统包括服务器、数据采集端、数据库、用户端和管理端；服务器连接报文管理后台、用户端后台和管理端后台；
数据采集端采集发电站当前水位、流量和图片，通过加密后形成报文，报文管理后台接受并解析数据采集端发送来的数据，经过加密验证后存入数据库；
由用户端可发出要求服务器访问数据库的请求，并将要求访问的数据在用户端前台进行展示；
管理端后台可远程实现数据采集端的升级、配置，并能够调取和查询数据库的全部数据；所述管理端后台可对用户端的用户信息进行修改、更改用户端用户的权限、监控数据采集端与报文管理后台的实时在线情况。
如图2所示，一种水电站生态流量监测专用一体化枪机包括摄像镜头、Sensor、SOC、Flash、TF卡、GPIO、电源、继电器、以太网、UART转485模块、4～20mA转485模块、外接设备的外接端子；摄像镜头通过凹透镜传递光线至Sensor获得图像信息； SOC对Sensor采集的信息进行编解码、通过GPIO控制继电器、通过以太网传输数据至服务器、通过UART转485模块和4～20mA 转485模块进行通信；外接设备的外接端子通过连线连接有电源、补光灯、4G路由器、水量测量仪器。
水量测量仪器可以是液位计为485液位计或4～20mA液位计或流量计。
摄像镜头由凹透镜组成，光线通过透镜折射聚焦并滤波照射到Sensor，Sensor表面上的光电二极管受到光线照射产生电荷，将光信号转换为电信号，再通过内部的AD转换为数字信号；
SOC对Sensor采集的数字信号具有编解码功能、通过以太网传输采集数据，通过扩展TF卡进行高容量存储、通过UART转 485模块和4～20mA转485模块获取液位计或流量计采集的数据、通过GPIO控制继电器开关闭合状态；
TF卡包括但不限于16G、32G、64G存储容量TF卡；
GPIO可控制电子元器件继电器的供电或断电，控制继电器开关的闭合状态，通过继电器开关控制对外部设备的供电；
继电器为时间继电器或舌簧继电器；
所述以太网采用的网络通信协议包括但不限于TCP/IP协议、 IPX/SPX协议、NetBEUI协议；可通过RJ45或无线传输方式与 4G路由器建立网络通信；
无线传输方式包括Zig-Bee、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带 (Wi-Fi)、超宽带(UWB)和近场通信(NFC)等；
外接设备的外接端子包括电源输入端子、补光灯供电端子、 4G路由器供电及通信端子、485液位计或流量计供电及通信端子、 4～20mA液位计或流量计供电及通信端子，可通过连线接入电源、补光灯、4G路由器、485液位计或流量计、4～20mA液位计或流量计；
镜头将光线集中后投射到Sensor，Sensor是感光图像传感器，可直接将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大后进行模数转换，将转换后的图像数据送SoC片上系统。
SoC片上系统：集成了微处理器、数字信号处理器、FLASH 存储器以及视频与图片处理固件的芯片，该芯片提供软件编程接口，实现视频与图片采集、编码，本系统中典型的，可采用海思 Hi3516、北京君正jzT31等系列芯片实现拍照功能。
SoC芯片提供TF/SD卡扩展总线，连接标准的TF/SD卡卡座，用以实现支持大容量(容量可高达512GB)的数据存储空间，本系统中用以保存所有图片、水位、流量等数据。按照水利部对生态流量监测要求，监测点设备本地需保存至少有年的图片、水位、流量数据，每1小时采集1张图片，每15分钟采集一次水位与流量，通常，一张1920*1080的高清照片，文件大小通常不超过 200KB，每个流量和水位数据的存储，由2个浮点型数据(8个字节)即可保存，由此可计算：若插入1张32GB的TF卡，则可保存(32GB*1024*1024*1024)B/(200KB*1024+4次*8B)/(24小时 *365天)＝19.15年,远远大于水利部数据存储要求。
夜间或阴天，当光线不好时，为保证拍摄到有效照片，需加装一个补光灯。补光灯的功耗通常为6W以上，由于通用工业摄像机采用自动持续补光、持续编码，夜间当光线较弱时自动开启补光，且补光灯一直处于开启状态，直至天亮才关闭，同时，由于通用摄像机只要上电，即自动进入视频编码并保存或传输的状态，在视频编码状态下，SoC芯片的功耗(约为1.92W)比不进行视频编码时的功耗(约为1.08W),实际上，生态流量监测系统只需要采集图片，无需持续编码，夜间光线较弱时，只有拍照时才需要补光，也无须持续补光，因此，为满足生态流量监测这一特定工作状态要求，为节省电能，本专用一体化枪机不启动视频编码，也不采用自动持续补光，只在夜间拍照时补光，并进行图片编码，补光和图片编码瞬间(不到1％秒)完成，每天不超过 12次，期间增加的功耗可以忽略。由此可计算生态流量专用一体枪机与通用枪机功耗之比为：
(1.08W*24小时)/(1.92W*24小时+6W*12小时)＝21.95％
由于生态流量专用一体机所采用的SoC芯片原本用于视频编码功能的强大运算能力并未启，同时，SoC芯片本身提供了以太网、USB、UART、GPIO(通用输入输出)等丰富的扩展功能，将UART(串口)转换为485总线即可扩展用以连接水位计、流量计用于数据采集，用GPIO接口经继电器扩展，用以控制水位计、流量计、补光灯的电源接通与断开，用USB连接4G网络通信模块，即可实现通用以RTU为中心的生态流量监测系统全部功能，即可省去成本昂贵、且功耗较大(约2W)的RTU装置。因此，生态流量专用一体枪机系统与(通用枪机+RTU)方案功耗之比为：
(1.08W*24小时)/(1.92W*24小时+6W*12小时+2W*24小时) ＝15.61％
考虑4G无线接入后，生态流量专用一体枪机自身已扩展4G 无线网络接入功能，扩展后功耗为1.56W，省去(通用枪机 +RTU+4G路由器方案)4G无线路由器(1.2W),功耗之比为：
(1.56W*24小时)/(1.92W*24小时+6W*12小时+2W*24小时+1.2W*24小时)＝19.2％。
考虑水位计(约0.24W)，由于生态流量专用一体枪机采用 GPIO+继电器可控制其电源接通与断开，每次获取水位时，水位计工作30秒，(通用枪机+RTU+4G路由器+水位计方案)全天候工作，两者功耗之比为：
(1.56W*24小时+0.24W*((0.5W*4次*24小时)/60秒)) /(1.92W*24小时+6W*12小时+2W*24小时+1.2W*24小时 +0.24W*24小时)＝18.76％。
如果采用流量计(超声波管道流量计功耗0.9W)，两者功耗之比为：
(1.56W*24小时+0.9W*((0.5W*4次*24小时)/60秒))/ (1.92W*24小时+6W*12小时+2W*24小时+1.2W*24小时+0.9W*24 小时)＝17.63％。
如图3所示，带GPS定位的生态流量监测数据防伪加密狗，包括数据接入平台、数据采集与传输终端、MCU、继电器、GPS 模块；MCU对数据采集与传输终端采集的数据进行加密处理， MCU通过对继电器的控制实现GPS模块间歇性供电；GPS模块在通电时间内采集位置信息后存储至MCU的RAM；加密后的数据报文通过MCU回送至数据采集与传输终端；数据采集与传输终端将加密后的数据报文传输至数据接入平台。
数据采集与传输终端1采集的数据包括水位信息、流量信息、图片和时间戳。
MCU在接收到数据采集与传输终端发送的数据后，将GPS 模块获取的定位信息合并到数据报文并通过加密程序对数据报文整体加密。
MCU可通过GPIO信号控制继电器开关的闭合状态，实现对 GPS模块供电控制。
GPS模块在首次供电工作期间，获取地理位置信息后将位置信息存储至MCU的RAM，保证MCU断电后地理位置信息丢失，在GPS模块下一次供电时需要重新获取地理位置信息，MCU正常工作期间对GPS模块间歇性供电，GPS在供电期间更新地理位置信息。
GPS模块通过获取所在位置的经纬度形成所在位置的位置信息。
如附图7所示，监测终端和接收服务器端都需要密钥生成模块生成的监测站密钥key_monitor，监测终端会将采集到的数据使用TCP/IP协议发送给接收服务器端，同时报文格式遵从国家水利监测数据通信报文标准。
如附图7所示，多个管理员需要根据水利厅分发的密钥 key_master，共同运行密钥生成模块，密钥key_master可以为任意长度的任意字符，密钥key_master可以为两个或多个，缺少任意一个key_master，程序将不能运行。
如附图7所示，密钥生成模块中生成的密钥会分发给多个监测终端。
如附图7所示，密钥生成模块中所使用的Encrypt函数需要传入的参数包括：监测站ID和多个密钥key_master，Encrypt 函数可以为任意加密函数，返回值为加密后的密钥key_monitor 传给对应监测站ID的监测终端。
监测终端执行流程，如附图8所示，数据采集模块将采集到的数据传输给数据处理模块，数据处理模块将当前监测站的监测站ID、采集数据、时间戳传输给数据加密模块，数据加密模块返回加密结果返回给数据处理模块，数据处理模块将监测站ID、采集数据、时间戳、加密结果传输给数据发射模块。
数据采集模块中，采集数据包括：水位、流量和图片数据。
数据加密模块中，拥有GPS定位功能，能够获取到当前监测站的经度和纬度，所述数据加密模块会自行生成随机数RAND，取值区间为[0，15]。
数据加密模块中，详细加密方法如附图5所示，使用MD5的方式对数据进行加密，MD5所需要传入的参数包括：监测站ID、采集数据、监测站经度、监测站纬度、随机数RAND、时间戳、监测站密钥key_monitor，所述数据加密模块返回值为一个字节的校验码，校验码高四位为随机数RAND的值，低四位取MD5值中第 RAND个字节的高四位的值。
数据发送模块中，会将传入数据组织成数据报文格式，数据报文格式如附图9所示，该报文格式遵从国家水利监测数据通信报文标准，将数据加密模块返回的校验码替换掉原本的CS校验码。
如附图6所示，数据接收模块会将所有接收到的数据报文传输给数据验证模块。
数据数据验证模块，默认是已知当前监测站经度和纬度。
数据验证模块中，会根据传输的监测站ID、采集数据、随机数RAND、时间戳结合已知的监测站经度、监测站纬度、 key_monitor进行MD5加密后，返回值为一个字节的校验码，校验码高四位为随机数RAND的值，低四位取MD5值中第RAND个字节的高四位的值，将返回值与报文检验码作比较，以此辨认报文的有效性和真实性。
数据传输过程如图5所示，应用到本发电站生态流量监管系统中，该算法是加密狗中的可选加密方式之一。
水资源监测数据接入平台双时间轮连接管理算法能够将大量终端连接并发负载均衡分配到CPU内核上，采用资源静态分配，保证系统性能的可靠性和稳定性，及时发现并处理失效连接和超时未接收完成的图片文件，保证数据接入平台的长久运行。
因为共享内存不同进程之间映射地址不一致，所以采用下标的形式进行指针定位，以下指针描述皆采用下标实现，如图10 所示。
考虑到负载均衡，保证服务器cpu运行效率，采用多进程形式对连接进行管理，其中多个Worker进程对连接进行管理，一个连接时间轮和一个图片时间轮对连接/图片超时进行定时。
连接响应连接监听底层采用epoll实现，分发事务处理更高效，算法处理分为以下几种情况：
一、初始化
1.定义socket监听端口，添加epoll事件处理
二、新来连接
1.接收新来的连接，生成连接套接字fd
2.为当前连接套接字fd添加epoll事件
三、断开连接
1.获取当前连接套接字fd
2.删除当前连接套接字fd的epoll事件
3.关闭连接套接字fd
哈希表、空闲链表和连接结点
哈希表的主要作用是快速查找到连接结点，时间复杂度为 O(N/2n)，N为连接数，空闲链表的作用是为了能快速找到当前空闲的结点，连接结点用于存储连接信息，时间复杂度为O(1)，n 为哈希表数组长度，算法处理分为以下几种情况：
一、初始化
1.定义一个长度为n的数组，初始化为-1
2.定义哈希函数，采用对连接套接字fd对哈希表长度n进行取模运算
3.空闲表为一个变量，用于存储当前空闲头结点的下标，初始值为0
4.连接结点为一个结构体数组，数组的长度为最大接收连接数，结构体的属性有：
(1)连接套接字fd，存储新来连接的套接字
(2)进程pid，存储当前Worker进程pid
(3)监测站ID monitor_id，存储连接对应监测站ID
(4)数据缓存buffer，存储连接上传的数据缓存
(5)下一个空闲结点free_node，用于空闲链表使用
(6)哈希表指向下一个结点next，存储哈希表指向的后继结点
(7)时间轮所在槽slot，存储当前连接在时间轮所在槽
(8)时间轮前驱结点pre_node，存储时间轮的链表的前驱结点
(9)时间轮后继结点next_node，存储时间轮的链表的后继结点
5.连接结点初始化：
(1)fd为int类型，初始值为-1
(2)pid为int类型，初始值为-1
(3)monitor_id为unsigned char类型的空串，长度为8
(4)buffer为unsigned char类型的空串，长度为4116
(5)free_node为下一个结点的下标
(6)next为int类型，初始值为-1
(7)slot为int类型，初始值为-1
(8)pre_node为int类型，初始值为-1
(9)next_node为int类型，初始值为-1
二、新来连接
1.根据连接套接字fd使用哈希函数运算对哈希表进行匹配
2.采用链表的形式，将当前连接插入到哈希表链表表头，next 指向原本哈希表指向的连接结点
3.获取当前空闲结点头free_node
4.找到下标为free_node的连接结点，将当前哈希表指向当前连接结点的下标
5.更新连接结点数据
6.原本的空闲头结点等于当前连接结点里面的free_node，当前连接结点free_node置-1
三、更新数据
1.获取当前连接的连接套接字fd和进程pid
2.根据连接套接字fd使用哈希函数运算对哈希表进行匹配
3.根据fd和pid遍历哈希表当前槽的链表，找到连接结点的下标
4.更新连接结点数据
四、断开连接
1.获取当前连接的连接套接字fd和进程pid
2.根据连接套接字fd使用哈希函数运算对哈希表进行匹配
3.根据fd和pid遍历哈希表当前槽的链表，找到连接结点的下标
4.清空连接结点数据
5.获取空闲结点头结点指向的值，让当前连接结点的 free_node指向空闲结点头指向的值
6.让空闲头结点指向当前连接结点
时间轮
时间轮主要是对连接进行超时检测，时间复杂度为O(1)，算法处理分为以下几种情况：
一、初始化
1.如附图2所示，时间轮长度为N，每个槽上会有长度为命数M的数组，用于挂载连接当前的命数
2.每个连接结点采用双向指针进行设计(使用双向指针设计是为了更新数据时能够不破坏结构的情况下插入删除连接结点，同时保证时间复杂度为O(1))
3.时间轮设计出来在内存中是以一个二维数组的形式进行存储
4.定时使指针移动，将当前指向的槽口所有的连接的向前移 (命数减一)
5.命数为0的在时间轮上删除当前连接，并且发送超时信号给管理当前连接的进程
二、新来的连接
1.生成新的结点
2.将结点挂载到当前指针指向的槽最大命数位置插入下标
3.更新连接信息表前驱下标和后继下标
三、更新数据
1.通过哈希表找到当前结点
2.从原来的槽口删除当前结点
3.将结点挂载到当前指针指向的槽最大命数位置插入下标
四、断开连接(枪机主动断开连接，枪机连接超时)
1.通过哈希表找到当前结点
2.删除当前结点
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，包括服务器、数据采集端、数据库、用户端和管理端；所述服务器连接报文管理后台、用户端后台和管理端后台；
所述数据采集端采集发电站当前水位、流量和图片，通过加密后形成报文，报文管理后台接受并解析数据采集端发送来的数据，经过加密验证后存入数据库；
由用户端可发出要求服务器访问数据库的请求，并将要求访问的数据在用户端前台进行展示；
所述管理端后台可远程实现数据采集端的升级、配置，并能够调取和查询数据库的全部数据；所述管理端后台可对用户端的用户信息进行修改、更改用户端用户的权限、监控数据采集端与报文管理后台的实时在线情况。
2.根据权利要求1所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，所述数据采集端为一发电站生态流量监测一体机，所述发电站生态流量监测一体机包括摄像镜头、Sensor、SOC、Flash、TF卡、GPIO、电源、继电器、以太网、UART转485模块、4～20mA转485模块、外接设备的外接端子；摄像镜头通过凹透镜传递光线至Sensor获得图像信息；SOC对Sensor采集的信息进行编解码、通过GPIO控制继电器、通过以太网传输数据至服务器、通过UART转485模块和4～20mA转485模块进行通信；外接设备的外接端子通过连线连接有电源、补光灯、4G路由器、液位计和流量计。
3.根据权利要求2所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，所述摄像镜头由凹透镜组成，光线通过透镜折射聚焦并滤波照射到Sensor，Sensor表面上的光电二极管受到光线照射产生电荷，将光信号转换为电信号，再通过内部的AD转换为数字信号；
所述SOC对Sensor采集的数字信号具有编解码功能、通过以太网传输采集数据，通过扩展TF卡进行高容量存储、通过UART转485模块和4～20mA转485模块获取液位计或流量计采集的数据、通过GPIO控制继电器开关闭合状态；
所述TF卡包括但不限于16G、32G、64G存储容量TF卡；
所述GPIO可控制电子元器件继电器的供电或断电，控制继电器开关的闭合状态，通过继电器开关控制对外部设备的供电；
所述继电器为时间继电器或舌簧继电器。
4.根据权利要求3所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，所述以太网采用的网络通信协议包括但不限于TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议；可通过RJ45或无线传输方式与4G路由器建立网络通信；
所述无线传输方式包括Zig-Bee、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带(Wi-Fi)、超宽带(UWB)和近场通信(NFC)。
5.根据权利要求4所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，所述外接设备的外接端子包括电源输入端子、补光灯供电端子、4G路由器供电及通信端子、485液位计或流量计供电及通信端子、4～20mA液位计或流量计供电及通信端子，可通过连线接入电源、补光灯、4G路由器、485液位计或流量计、4～20mA液位计或流量计；镜头将光线集中后投射到Sensor，Sensor是感光图像传感器，可直接将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大后进行模数转换，将转换后的图像数据送SoC片上系统。
6.根据权利要求2、或3或4或5所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，所述发电站生态流量监测一体机内设置有带GPS定位的生态流量监测数据防伪加密狗，包括数据接入平台、数据采集与传输终端、MCU、继电器、GPS模块；MCU对数据采集与传输终端采集的数据进行加密处理，MCU通过对继电器的控制实现GPS模块间歇性供电；GPS模块在通电时间内采集位置信息后存储至MCU的RAM；加密后的数据报文通过MCU回送至数据采集与传输终端；数据采集与传输终端将加密后的数据报文传输至数据接入平台。
7.根据权利要求6所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，MCU在接收到数据采集与传输终端发送的数据后，将GPS模块获取的定位信息合并到数据报文并通过加密程序对数据报文整体加密。
8.根据权利要求7所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，MCU可通过GPIO信号控制继电器开关的闭合状态，实现对GPS模块供电控制。
9.根据权利要求8所述一种发电站生态流量监管系统，其特征在于，GPS模块在首次供电工作期间，获取地理位置信息后将位置信息存储至MCU的RAM，保证MCU断电后地理位置信息丢失，在GPS模块下一次供电时需要重新获取地理位置信息，MCU正常工作期间对GPS模块间歇性供电，GPS在供电期间更新地理位置信息。
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|---|---|---|---|
| CN202111468376.1A CN114167905A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种发电站生态流量监管系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220311 |