物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在深圳西涌天文—?dú)庀缶C合探測基地管理中的應(yīng)用

林軼琦　李磊　江崟　莊紅波　梅林　黃志彬

摘 要：野外綜合科學(xué)探測基地的有效管理是保障基地正常有序運(yùn)行的一項(xiàng)重要前提，而有效的管理取決于能否及時(shí)獲取基地內(nèi)各項(xiàng)設(shè)施的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。該文以深圳西涌天文臺為例，提出了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)基地綜合管理平臺的技術(shù)思路，該平臺實(shí)現(xiàn)了以下幾種功能：（1）供水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（3）基地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（4）安防視頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控；（5）消防系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過該系統(tǒng)，基地管理人員可以高效、快速地獲取一些基地運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握實(shí)時(shí)的基地情況，從而為正確的做出應(yīng)對措施及提前做好規(guī)劃準(zhǔn)備提供參考依據(jù)。系統(tǒng)投入使用以來，已產(chǎn)生了明顯的管理效益和經(jīng)濟(jì)效益，為國內(nèi)同類大型野外科學(xué)探測基地的管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 野外探測基地 實(shí)時(shí)監(jiān)控 綜合管理

中圖分類號：P715 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0008-04

Abstract：Effective management is essential to guarantee the fluent operation of the comprehensive scientific field exploration base，which depends on whether the real-time running data of the instruments in the base can be obtained or not.Taking Xichong observatory as an example， this paper introduces how develop an integrated management platform based on the internet of things techniques.The platform have the following functions：（1）Real-time monitoring of the water supply system；（2）Real-time monitoring of the power system and power consumption data；（3）Real-time monitoring of the intranet and internet status；（4）Providing real-time video monitoring images；（5）Real-time monitoring of the fire protection system.Through the platform， the managers of the base could efficiently and quickly obtain the status of the instruments in the base，which will help to make right decisions to cope with possible problems and faults of the instruments.Since the establishment of the platform，obvious management and economic benefit have been obtained，which provide a reference for the similar large field scientific exploration base management.

Key Words：Internet of thing；Field exploration base；Real-time monitoring；Integrated management

深圳西涌天文-氣象綜合探測基地于2010年9月建成，是國內(nèi)第一個(gè)天文與氣象相結(jié)合、科普與業(yè)務(wù)相結(jié)合的綜合探測基地。基地占地面積超過2.9萬m2，位于臨海的一座山上且遠(yuǎn)離市區(qū)。基地內(nèi)除布設(shè)有專業(yè)天文及氣象探測設(shè)施外，還建有發(fā)電、配電、消防、生活供水、中水處理、視頻監(jiān)控等9套輔助運(yùn)行系統(tǒng)，運(yùn)行監(jiān)控管理工作壓力十分巨大。在基地建成的初期，通氣、供水、供電及消防設(shè)備時(shí)有故障，自基地建成以來，經(jīng)歷過發(fā)電機(jī)輸出功率不正常、水溫異常、水泵故障失靈、蓄水池水位過低、機(jī)房溫濕度不正常等多種問題，這些問題影響了基地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于遠(yuǎn)離市區(qū)，基地日常駐守的業(yè)務(wù)人員數(shù)量極為有限，僅靠駐守基地的工作人員人工巡查，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而使得基地不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

事實(shí)上，西涌天文-氣象綜合探測基地所面臨的問題，也是國內(nèi)多數(shù)野外大型科學(xué)探測基地共同面臨的問題。依靠科學(xué)技術(shù)提升綜合監(jiān)控和管理能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備故障，從而提高排除故障的效率，是解決這一問題的必然途徑。而解決這一問題的關(guān)鍵，在于及時(shí)獲得關(guān)于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，以幫助判斷設(shè)備的狀態(tài)，為分析處理故障提供有效支撐。

國際電信聯(lián)盟（ITU）指出，信息與通信技術(shù)的目標(biāo)已經(jīng)從任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連接任何人，發(fā)展到連接任何物品的階段，而萬物的連接就形成了物聯(lián)網(wǎng)，它是對物體具有全面感知能力，對信息具有可靠傳送和智能處理能力的鏈接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)，全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的特征[1]，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展及成熟，運(yùn)用流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)建設(shè)已成必然。近年來，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已滲透到各行各業(yè)的信息化管理系統(tǒng)當(dāng)中，諸如交通、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療等，各行業(yè)的智能化管理水平已得到顯著的提升[2-6]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于西涌天文-氣象綜合探測基地的管理，建成電子化的基地綜合管理系統(tǒng)，不僅有助于解決實(shí)際問題，直接提升基地的智能化管理水平，也將為國內(nèi)其他類似基地解決共性問題提供有益的參考。

1 需求分析和功能設(shè)計(jì)

總體目標(biāo)：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡稱基地綜合管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以有效進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，并對基地業(yè)務(wù)人員進(jìn)行動態(tài)管理，從而提高整個(gè)基地的管理效率。實(shí)現(xiàn)管理過程的電子化，易于統(tǒng)一歸檔和存儲，為查詢統(tǒng)計(jì)以及相關(guān)物業(yè)、維護(hù)等事務(wù)的跟蹤提供技術(shù)支撐。

具體需求：（1）對供水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括：凈水池水位、原水池水位、水凈化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（工作、待機(jī)、故障，下同）、濾芯更換記錄、水泵運(yùn)行狀態(tài)、蓄水池水位、柴油機(jī)狀態(tài)、加壓水泵運(yùn)行狀態(tài)、中水處理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；（2）對供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括：配電室電器控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、主要參數(shù)，發(fā)電機(jī)狀態(tài)、開關(guān)機(jī)記錄，發(fā)電機(jī)房溫、濕度，UPS工作狀態(tài)；（3）對基地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要指基地的光纖工作狀態(tài)；（4）實(shí)時(shí)調(diào)閱所有安防視頻；（5）對消防系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括：七氟丙烷消防系統(tǒng)狀態(tài)、消防水水位信息、消防水泵狀態(tài)、消防器材檔案；（6）具有閾值觸發(fā)短信告知功能，當(dāng)關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障，狀態(tài)信息有所改變時(shí)，自動發(fā)短信到系統(tǒng)管理員處；（7）可實(shí)現(xiàn)人員動態(tài)管理，諸如排班、考勤等。

性能需求：服務(wù)器端響應(yīng)時(shí)間（從點(diǎn)擊了一個(gè)頁面計(jì)時(shí)開始，到這個(gè)頁面完全在瀏覽器里展現(xiàn)計(jì)時(shí)結(jié)束的這一段時(shí)間間隔），數(shù)據(jù)庫信息檢索時(shí)間最大不超過2 s，平均時(shí)間在0.1～1 s以內(nèi)?？蛻舳隧憫?yīng)時(shí)間，頁面載入時(shí)間最大不超過8 s，平均時(shí)間在1～3 s以內(nèi)。CPU占用率：最大80%，正常20%，內(nèi)存使用率：最大1G，磁盤存儲空間不超過50G。單臺服務(wù)器并發(fā)用戶數(shù)500。

2 功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境基于ECLIPSE平臺，使用JAVA進(jìn)行開發(fā)，主體采用B/S架構(gòu)，便于獲得授權(quán)的管理人員通過IE瀏覽器進(jìn)行查詢、分析。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，可以很容易的增加、刪除、更新內(nèi)容模塊；系統(tǒng)開發(fā)盡可能采用開源軟件，或者在其上做開發(fā)，以降低開發(fā)維護(hù)成本。系統(tǒng)總體架構(gòu)包括6大功能模塊，即設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、安防系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、天文觀測設(shè)施管理、綜合行政、管理人員、管理系統(tǒng)管理及30個(gè)小功能模塊組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念圖如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集

考慮前端設(shè)備大部分是基于RS232和RS485的通訊，而且比較分散。但是內(nèi)以太網(wǎng)絡(luò)布設(shè)較為方便，因此采用RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，接入企業(yè)網(wǎng)的通訊模式。由于數(shù)據(jù)的存儲量大，而且用戶要求進(jìn)行數(shù)據(jù)接入服務(wù)，所以采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQLServer，以方便用戶使用。

對接入設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，進(jìn)行程序開發(fā)即可將其他設(shè)備接入系統(tǒng)，以發(fā)電機(jī)、UPS、電量儀以及PLC設(shè)備為例分別予以說明。發(fā)電機(jī)提供了MODBUS通訊協(xié)議，也可通過統(tǒng)一接口成功接入。UPS是艾默生Hiplus系列，提供了通訊協(xié)議，也成功接入。電量儀協(xié)議提供不完整，而且型號不一，協(xié)議雖均為MODBUS類型協(xié)議，但是并不完全符合MODBUS規(guī)范，通過分析其通訊的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行數(shù)據(jù)移位比較后尋找出每個(gè)協(xié)議的具體數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過多次調(diào)試分析，最終也成功接入。一臺PLC設(shè)備提供了MODBUS接口，根據(jù)廠家提供的連接通信參數(shù)，成功接入；另一臺PLC無法提供現(xiàn)成協(xié)議，通過查閱多方資料[7-8]，了解到PLC設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊口可通過PPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，而PPI協(xié)議是西門子的內(nèi)部協(xié)議，參閱該協(xié)議的相關(guān)資料后，開發(fā)出專用的程序來訪問，最終也實(shí)現(xiàn)了PLC設(shè)備的接入。

發(fā)電機(jī)、UPS電量儀、PLC等設(shè)備的成功接入，為實(shí)現(xiàn)后臺程序統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理起到了決定性作用，使得各“物”的信息最終得以“聯(lián)網(wǎng)”。數(shù)據(jù)的采集通過采集終端的開放型TCP/IP接口為后臺程序的數(shù)據(jù)讀取提供了連接的橋梁，實(shí)現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取。

由于有后續(xù)二次開發(fā)有數(shù)據(jù)接入的需求，本系統(tǒng)專門定制了一個(gè)數(shù)據(jù)庫的表，開發(fā)了一個(gè)專門程序利用系統(tǒng)的開放型TCP/IP接口，從數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)庫中讀取數(shù)據(jù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)為最新狀態(tài)，二次開發(fā)只需直接訪問這個(gè)表調(diào)取所要的數(shù)據(jù)，這樣解決了直接基于TCP/IP端口訪問可擴(kuò)展性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大時(shí)訪問效率不高、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性很差、編程難度大，SQL語句也較為復(fù)雜等一些弊端。

2.2 功能模塊的設(shè)計(jì)及集成

采集端承擔(dān)了對本地或遠(yuǎn)端監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。而監(jiān)控端則以圖形、列表、文字、仿真控件等多種形式將被監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)展現(xiàn)在用戶面前。通過監(jiān)控系統(tǒng)用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)提示設(shè)備的告警，迅速地對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行遙控。除此之外，監(jiān)控系統(tǒng)還具有快捷的瀏覽方式、聲光告警提示、告警自動通知、自動化的值班派單系統(tǒng)等強(qiáng)大的功能。

系統(tǒng)承擔(dān)的綜合管理功能包含安全性管理、監(jiān)控設(shè)備的管理、人員管理、工程資料的管理以及運(yùn)行數(shù)據(jù)管理，報(bào)表等。配置有3部分：分別是采集配置、監(jiān)控配置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定義。采集配置是根據(jù)具體的硬件模塊結(jié)構(gòu)來進(jìn)行配置。監(jiān)控配置是用戶的界面配置?；A(chǔ)數(shù)據(jù)定義是維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的一些通用化數(shù)據(jù)定義，不涉及到具體的監(jiān)控對象。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多平臺監(jiān)控，每個(gè)監(jiān)控臺可以配置獨(dú)立的監(jiān)控界面和監(jiān)控對象組合。同時(shí)也可以為上級監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)，組織成多層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，可查詢歷史數(shù)據(jù)以及在線控制等，如圖3所示。

3 應(yīng)用及成效

建成后的西涌天文臺綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)如圖4所示，從圖4中不難看出，系統(tǒng)一目了然地集中展示了關(guān)鍵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

從系統(tǒng)投入使用近兩年來的成效來看，使基地管理工作化繁為簡、化難為易、條理清晰、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，大大提升了管理人員的工作效率、減少了工作強(qiáng)度。如圖5。

在兩年中，通過該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的問題及排除故障的典型案例包括以下4方面。

（1）發(fā)電機(jī)房環(huán)境檢測濕度出現(xiàn)異常高值報(bào)警13次，通過西涌天文臺綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)報(bào)警短信通知，基地管理人員及時(shí)通知駐點(diǎn)電工及時(shí)開啟通風(fēng)及抽濕機(jī)處理，防止溫濕度傳感器及煙霧傳感器因潮濕造成的誤報(bào)，防止消防系統(tǒng)因誤報(bào)警而觸發(fā)七氟丙烷氣體的噴發(fā)，避免了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）原水池水位檢測報(bào)警1次，通過西涌天文臺綜合業(yè)務(wù)管理平臺報(bào)警短信通知，臺辦通知駐點(diǎn)物業(yè)工程人員現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)山下水泵房由于長時(shí)間沒有下雨而缺水，西涌天文臺駐點(diǎn)工作人員在未知的情況下正常用水，最終原水池水位下降到報(bào)警值。根據(jù)該警示信息，使得工作人員得以及時(shí)做好缺水的應(yīng)對工作，同時(shí)避免了水泵因空轉(zhuǎn)而造成損壞。

（3）通過西涌天文臺綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的投入運(yùn)行，管理人員獲得了大量基地的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合西涌天文臺的實(shí)際需求，通過科學(xué)設(shè)備調(diào)整運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)，延長設(shè)施設(shè)備使用壽命，提高能源效率，降低運(yùn)行成本，據(jù)供電局所提供的數(shù)據(jù)表明，西涌天文臺2013年度總能耗比上一年度減少了9.93%，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。如圖6。

（4）系統(tǒng)投入使用以來，位于野外的西涌基地未發(fā)生過任何安全生產(chǎn)責(zé)任事故，系統(tǒng)故障總能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到快速修復(fù)，大大減少了管理人員往返野外基地的次數(shù)，降低了因設(shè)備故障導(dǎo)致的各類損失，每年約能為所在單位節(jié)約人工、能耗、交通等費(fèi)用10萬余元，3年來的累積效益已大大超出建設(shè)系統(tǒng)的投入資金。

4 結(jié)語

該文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象探測基地管理系統(tǒng)的開發(fā)思路，并以“西涌天文臺綜合管理系統(tǒng)”為實(shí)例，進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用說明。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一日千里的發(fā)展，相信在不久的將來將出現(xiàn)更多基于物聯(lián)網(wǎng)的通信接口協(xié)議、采集器及應(yīng)用傳感器，將會有更多的設(shè)備可納入到統(tǒng)一的平臺，進(jìn)行更智能的集中管理。

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