引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動 通信之后的新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。1998年，美國 麻省理工學院創(chuàng)造性地提出了當時被稱作EPC系統(tǒng)的'物聯(lián)網(wǎng)” 構(gòu)想。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1998年由美國MIT大學的Kevin Ashton教授提出，把RFID技術(shù)與傳感器技術(shù)應用于日常物 品中形成物聯(lián)網(wǎng)，著重的是物品的標記。目前國際上對于物聯(lián) 網(wǎng)尚沒有一個公認的定義，比較廣泛的解釋是，把感應器嵌 入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、 大壩、油氣管道等各種物體中并構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，然后將物聯(lián)網(wǎng) 與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。 在這個整合的網(wǎng)絡當中，存在能力超級強大的中心計算機群， 能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡內(nèi)的人員、機器、設備和基礎設施實施實時 的管理和控制，在此基礎上，人類可以更加精細和動態(tài)地管 理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力 水平，改善人與自然間的關(guān)系。在2010年我國的政府工作報 告所附的注釋中，對物聯(lián)網(wǎng)有如下的說明：物聯(lián)網(wǎng)是指通過信 息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來， 進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控 和管理的一種網(wǎng)絡。

1物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上 的延伸和擴展的網(wǎng)絡。但對比物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)還是有所不同， 主要體現(xiàn)在以下幾點：

使用對象不同。互聯(lián)網(wǎng)解決的是人與人的信息溝通 問題，物聯(lián)網(wǎng)解決的是信息化的智能管理和決策控制問題；

終端系統(tǒng)接入方式不同。互聯(lián)網(wǎng)用戶通過端系統(tǒng)的 服務器、臺式機、筆記本和移動終端訪問互聯(lián)網(wǎng)資源，物聯(lián) 網(wǎng)中的傳感器結(jié)點需要通過無線傳感器網(wǎng)絡的匯聚結(jié)點接入 互聯(lián)網(wǎng)；

網(wǎng)絡端系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式不同。互聯(lián)網(wǎng)主要是實行 人與人之間的信息交互與共享，都是在人的控制之下完成的。 而物聯(lián)網(wǎng)的端系統(tǒng)采用的是傳感器、RFID，因此物聯(lián)網(wǎng)感知 的數(shù)據(jù)是傳感器主動感知或者是RFID讀寫器自動讀出的；

使用技術(shù)不同。互聯(lián)網(wǎng)主要依賴于有線通訊方式, 物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)種類包括無線技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能芯片技術(shù)、 軟件技術(shù)，幾乎涵蓋了信息通信技術(shù)的所有領(lǐng)域。

2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系由5部分組成，包括應用層技術(shù)、網(wǎng) 絡層技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)，其技術(shù)體系 如圖1所示。

圖1中，感知層用于實現(xiàn)物理世界中發(fā)生的物理事件和 數(shù)據(jù)的采集和感知，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。 物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二 維碼和實時定位等技術(shù)。傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù) 實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、 自組織網(wǎng)絡以及多個傳感器對數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過程；

網(wǎng)絡層技術(shù)能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高 安全性地進行傳送，需要傳感網(wǎng)絡與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)相融合；

應用層技術(shù)主要包含應用支撐和應用服務層技術(shù)。其中 應用支撐層技術(shù)用于支撐跨行業(yè)、跨應用、跨系統(tǒng)之間的信息 協(xié)同、共享、互通的功能，包括云計算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù) 和智能信號處理技術(shù)；

公共技術(shù)不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某個特定層面，而是與物圖1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框架圖聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的三層都有關(guān)系，它包括標識與解析、安全技術(shù)、 網(wǎng)絡管理和服務質(zhì)量管理；

支撐技術(shù)是和物聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)的其他領(lǐng)域的技術(shù)，包括 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、微機電技術(shù)、功率與能量存儲技術(shù)等。

3水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

3.1水務監(jiān)測對象及監(jiān)測參量

2010年全國開展了第一次水利普查工作，普查任務包括 8個專項北京水務增加了 2個專項）,普查對象包括10個方面, 即河湖、水利工程、經(jīng)濟社會用水、河湖開發(fā)治理保護、水土 保持、水利行業(yè)能力、灌區(qū)、地下水取水井、供水工程、排水 工程，這10個專項涵蓋了所有水利設施。通過梳理分析這些 水利設施得到水務監(jiān)測對象主要包括12類分別為水文站、水 位站、雨量站、水庫、引調(diào)水、橡膠壩、取水口水源地、自 備井、泵站、水閘、排污口，與之對應的監(jiān)測參量主要有水位、 水質(zhì)、降雨、流量、取水量、用水量、供水量、排污量、壓力、 發(fā)電量、蒸發(fā)、泥沙、水深等。這些監(jiān)測對象有些是需要采集 單一監(jiān)測參量，如單一雨量站、地下水源等，有些是需采集多 種監(jiān)測參量，如水庫水閘、泵站引調(diào)水、橡膠壩等，各類監(jiān) 測參量的采集信號接口也不盡相同，有開關(guān)量、模擬量、串口等。 3.2水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)特征

水務信息采集是水利信息化和自動化建設的重要組成部 分，從上世紀七十年代開始水利人就開始從事水務信息采集領(lǐng) 域的相關(guān)工作，運用傳感技術(shù)、無線電通信技術(shù)、電子技術(shù) 以及計算機應用等技術(shù)實現(xiàn)了水利信息的實時采集與接收，中 心能夠自動接收各個測站上傳的數(shù)據(jù)，同時可以下發(fā)指令獲取 所需的數(shù)據(jù)，為防汛調(diào)度、水資源管理提供第一手的信息支撐。 水利信息采集中的核心設備是信息采集終端，從上個世紀八十 年代，水利信息采集終端就開始應用在水利測站的各個站點， 在水務信息化的發(fā)展中發(fā)揮了積極的作 用，為水務的管理提供了數(shù)據(jù)支撐。隨 著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來和水務精細化管理 對實時數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，有必 要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)適合新形勢下水 務發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)終端設備，該設備既具 有物聯(lián)網(wǎng)的典型技術(shù)特征，又滿足水務 業(yè)務應用需求，具體表現(xiàn)在如下幾個方 面：

（1）水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端并不是全 新的產(chǎn)品，它是已有的水利信息采集終 端的升級優(yōu)化，具有小型化、低功耗、 低成本、綠色環(huán)保等特點；

（2）水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有唯一 的編碼標識，能夠入網(wǎng)自動識別，遠程進行管理和監(jiān)控；

（3）水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端是“智能”和“智慧”理念的具 體體現(xiàn)。通過一定的協(xié)議，實現(xiàn)終端設備的互聯(lián)網(wǎng)接入，達 到遠程識別、定位、監(jiān)控和管理等目的；

（4）水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端也是“與時俱進”的。隨著物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其也是在不斷優(yōu)化升級的。當前處于初級階 段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)會逐步攻克, 標準體系會逐漸完善，感知終端的功能和性能也會不斷優(yōu)化、 升級。

4水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端技術(shù)框架與實現(xiàn)

4.1總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)水務信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù) 體系，水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總體技術(shù)架構(gòu)由4個層面構(gòu)成, 即傳感層、采集感知層、數(shù)據(jù)匯集層和應用配置層，總體技 術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2中的傳感層主要用于對各類傳感器實現(xiàn)事件和數(shù)據(jù) 的采集和感知，包括各類與水文、水利設施運行密切相關(guān)的 監(jiān)測量，如水位、雨量、流量等，還有與水務管理相關(guān)的信 息，如標識、音視頻數(shù)據(jù)等。傳感層中的核心設備是傳感器, 它既可以是簡單的物理量轉(zhuǎn)為電信號的變送器，也可以是具有 數(shù)據(jù)分析處理功能的智能傳感器。

采集感知層是通過智能感知終端采集傳感層的數(shù)據(jù)，并 按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信與發(fā)送。采集感知層的 核心設備是智能感知終端，它能夠采集多種類型的傳感器數(shù) 據(jù)，具備唯一的標識碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動識別，按 照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)與前置服務器的通信與數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)匯集層是通過數(shù)據(jù)接收設備來解析接收采集的傳感 器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲入庫。數(shù)據(jù)匯集層的核心設備是數(shù)據(jù)接收設備，為區(qū)別于應用系統(tǒng)我們姑且稱其為數(shù)據(jù)前置接收服 務器，它與智能感知相匹配，按照統(tǒng)一的協(xié)議解析接收一個 或多個感知終端傳送的數(shù)據(jù)，多個前置接收服務器部署到不 同的物理地點，一旦形成規(guī)模可以搭建基礎設施池，可以按 照云理念（服務器云）加以管理提供基礎設施服務（lass）,保 障數(shù)據(jù)匯集層的健壯和安全，各個業(yè)務應用單位可以根據(jù)自 身業(yè)務所需從前置服務器上索取采集的數(shù)據(jù)。

應用配置層是配置管理平臺，它一方面要對所有的智能 感知終端和前置接收服務器進行配置、狀態(tài)監(jiān)測等管理，對 服務器云進行統(tǒng)一的資源調(diào)度和分配；另一方面要對用戶提 供查詢、數(shù)據(jù)提取等服務功能，各個業(yè)務應用單位能夠按照 一定的應用協(xié)議從服務器云上查詢、獲取所需的采集數(shù)據(jù)。

4.2應用結(jié)構(gòu)

在總體架構(gòu)下，水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端具有更強的兼容性 和擴展性，其應用結(jié)構(gòu)如圖3所示。水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端可以 與傳統(tǒng)的水文遙測儀并行，按照統(tǒng)一的協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳 至云服務器群，同時它具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過有線或無線近 距離通信獲取水文遙測儀的數(shù)據(jù)，將水文遙測儀采集的數(shù)據(jù) 上傳至云服務器群。智能感知終端還具有水文遙測儀的已有接 口和功能，可采集開關(guān)量、模擬量、RS232/485等接口類型傳 感器的數(shù)據(jù)，將傳感數(shù)據(jù)上傳。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展， 小型化、低功耗的智能傳感器會投入使用，物聯(lián)網(wǎng)感知終端 留有接口可以通過無線的方式采集智能傳感器的數(shù)據(jù)并上傳, 同時視頻圖像也可以利用感知終端將水務設施現(xiàn)場的畫面上傳 至服務器群，供用戶調(diào)用查看。

4.3技術(shù)路線

水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端服務于水務管理實時信息的采集, 其主要功能和性能需要貼合水務管理的實際需要，同時對于 不同的水務采集對象又具有不同的個性化需求，因此水務物 聯(lián)網(wǎng)感知終端是一套系列產(chǎn)品，既具有通用的功能和標準接 口，也有不同場合不同監(jiān)測對象個性化的要求。根據(jù)這些需求, 研發(fā)技術(shù)路線從三方面加以考慮：

一是采用模塊化的設計思想，終端的硬件核心主板考慮 通用功能和性能，底板考慮各種應用場合的不同接口，以適應 不同傳感器和不同傳輸模式;終端內(nèi)的應用軟件采用模塊編程, 通過模塊的調(diào)用來實現(xiàn)不同需求下終端采集的功能；

二是硬件核心選用工業(yè)級的ARM芯片，選型上充分考 慮存儲、低功耗、CPU運行速率等重要性能指標，同時兼顧 終端擴展性，充分考慮未來產(chǎn)品的優(yōu)化升級；

三是電源設計采用統(tǒng)一的電源管理思路，在電路設計上 實現(xiàn)各個模塊的電源可控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運行。

4.4技術(shù)實現(xiàn)路徑

硬件采用模塊化的設計，以市場主流的ARM為核心 CPU制作核心板，核心板上配置CPU、RAM、FLASH、 RTC、WTD、電源管理等模塊，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)處理、存儲、 復位、電源管理等功能。核心板之外擴展接口底板，配置數(shù)字 量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、串行RS485/232、通信模塊、 固態(tài)存儲、自動校時、LED狀態(tài)顯示等模塊，實現(xiàn)對下采集 傳感器，對上傳輸采集數(shù)據(jù)的功能。

軟件平臺采用Linux操作系統(tǒng)，根據(jù)感知終端的主要功 能和對外接口，對Linux內(nèi)核進行剪裁，開發(fā)相應的輸入、輸 出、通信接口等驅(qū)動程序。同時按照水利行業(yè)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范 和終端的工作流程及工作模式，開發(fā)相應的應用程序，中心開 發(fā)向?qū)臄?shù)據(jù)接收軟件，實現(xiàn)對水務監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集、 狀態(tài)監(jiān)測及遠程配置等功能。

5結(jié)語

面臨第三次信息革命浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將越來越多地應用到 各個行業(yè)，走進千家萬戶。本文從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，分析了 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，給出了物聯(lián)網(wǎng)的應用層技術(shù)、網(wǎng)絡層 技術(shù)、感知層技術(shù)、公共技術(shù)和支撐技術(shù)的技術(shù)體系。立足于水務領(lǐng)域，梳理了水務監(jiān)測對象及其監(jiān)測參量，分析了水務 物聯(lián)網(wǎng)感知終端的技術(shù)特征，設計了水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端的總 體技術(shù)架構(gòu)和應用結(jié)構(gòu)，給出了終端產(chǎn)品研制的技術(shù)路線和軟 硬件的實現(xiàn)路徑。

20211120_6198c5fcc9762__水務物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制