水务物联网感知终端的研制



  0 引 言

  物联网(Internet of Things)是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命和产业革命。1998年,美国麻省理工学院创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”构想。物联网的概念最早在1998年由美国MIT大学的Kevin Ashton教授提出,把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成物联网,着重的是物品的标记。目前国际上对于物联网尚没有一个公认的定义,比较广泛的解释是,把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中并构成物联网,然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制,在此基础上,人类可以更加精细和动态地管理生产和生活,达到“智慧”状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。在2010年我国的政府工作报告所附的注释中,对物联网有如下的说明:物联网是指通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

  1 物联网与互联网的区别

  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。但对比物联网与互联网还是有所不同,主要体现在以下几点:

  (1)使用对象不同。互联网解决的是人与人的信息沟通问题,物联网解决的是信息化的智能管理和决策控制问题;

  (2)终端系统接入方式不同。互联网用户通过端系统的服务器、台式机、笔记本和移动终端访问互联网资源,物联网中的传感器结点需要通过无线传感器网络的汇聚结点接入互联网;

  (3)网络端系统数据采集方式不同。互联网主要是实行人与人之间的信息交互与共享,都是在人的控制之下完成的。而物联网的端系统采用的是传感器、RFID,因此物联网感知的数据是传感器主动感知或者是RFID读写器自动读出的;

  (4)使用技术不同。互联网主要依赖于有线通讯方式,物联网涉及的技术种类包括无线技术、互联网、智能芯片技术、软件技术,几乎涵盖了信息通信技术的所有领域。

  2 物联网关键技术

  物联网的技术体系由5部分组成,包括应用层技术、网络层技术、感知层技术、公共技术和支撑技术,其技术体系如图1所示。

  图1中,感知层用于实现物理世界中发生的物理事件和数据的采集和感知,包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织网络以及多个传感器对数据的协同信息处理过程;

  网络层技术能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送,需要传感网络与移动通信技术、互联网技术相融合;

  应用层技术主要包含应用支撑和应用服务层技术。其中应用支撑层技术用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能,包括云计算技术、数据挖掘技术和智能信号处理技术;

  公共技术不属于物联网技术的某个特定层面,而是与物联网技术构架的三层都有关系,它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量管理;

  支撑技术是和物联网紧密相关的其他领域的技术,包括嵌入式系统技术、微机电技术、功率与能量存储技术等。

  3 水务物联网感知终端技术特征

  3.1 水务监测对象及监测参量

  2010年全国开展了第一次水利普查工作,普查任务包括8个专项(北京水务增加了2个专项),普查对象包括10个方面,即河湖、水利工程、经济社会用水、河湖开发治理保护、水土保持、水利行业能力、灌区、地下水取水井、供水工程、排水工程,这10个专项涵盖了所有水利设施。通过梳理分析这些水利设施得到水务监测对象主要包括12类分别为水文站、水位站、雨量站、水库、引调水、橡胶坝、取水口、水源地、自备井、泵站、水闸、排污口,与之对应的监测参量主要有水位、水质、降雨、流量、取水量、用水量、供水量、排污量、压力、发电量、蒸发、泥沙、水深等。这些监测对象有些是需要采集单一监测参量,如单一雨量站、地下水源等,有些是需采集多种监测参量,如水库水闸、泵站引调水、橡胶坝等,各类监测参量的采集信号接口也不尽相同,有开关量、模拟量、串口等。