蒋树芳，康跃虎＋，常志来

（1.中国科学院地理科学与资源研究所 院陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；2.北京市怀柔区水务局，北京101400）

0 引 言

WSN（wireless sensor network）是由分布在给定局部区域内足够多的无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统［1－2］，近年来，以功耗低、自组网和节点体积微小等优势，日益广泛应用于交通运输、工业控制、物流管理、现代农业等［3－6］领域的信息化监控当中。GIS（geographic information system）作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具［7－8］，已在国土管理、气象监测、水利电力、农林牧等多领域广泛应用［9－11］。

本文针对农村人畜饮水多水厂管网供水联合调度及人畜饮水安全监控的需要，集成WSN与GIS技术，利用GIS对空间信息的存储、控制和表现能力，协同WSN的远程无线数据传输功能，设计并研发了人畜饮水管网安全供水WSNGIS系统。该系统实现了农村自来水厂人畜饮水供水管网的实时监控及远程控制，辅助管理人员对供水辖区水资源进行科学合理的监管，在发生供水水源意外污染、供水不足等突发情况时，实现就近选择其它水厂进行联合供水调度，有效避免水源污染等突发事件对供水区域人畜饮水安全的影响。

1 系统设计原则

人畜饮水管网安全供水WSNGIS系统主要用户为农村和村镇的供水管理部门。目前农村供水水厂相对分散，受水用户以行政村为单元，集中分布及零星分布并存，因此，系统需要遵循以下原则：

（1）动态性：系统需要对供水辖区所有用户的供水状态进行实时监控，而采集点与监测点经常会随着受水用户的改变而改变，因此，在系统模块设计中，必须考虑支持网络结点的动态增删与修改，实现阀门井采集点的采集、传输和控制等功能。

（2）实时性与安全性：系统的主要目的是保证人畜饮水安全，需要保证采集点与监测点数据传输的时效性。此外，供水区域采集点和监控点数据的上传特别是远程控制需要对数据包进行加密处理，以保证数据传输与整个供水管网远程控制的安全性。

（3）开放性与可扩展性：系统WSN网络结点、GIS模块功能和数据库结构都应易于扩充，以满足人畜供水管网系统进一步发展的需要。系统设计需要具有充分的开放性和可扩展性，保证系统能方便地进行模块扩展、功能调整和系统维护等，以适应系统需求的变化。

（4）实用性：系统需要结合乡镇（村）供水管理的实际，对WSN采集结点回传信息解译、数据转发等内容进行可视化封装集成，符合实际操作者的知识水平和思维习惯。在系统设计过程中，需要做到系统功能强大的同时，兼顾良好的可视化效果和人机交互界面，使系统操作简便，具有通用性和实用性。

2 系统组成

本系统从逻辑体系结构上定义由物理层、服务层、数据层和应用层组成（如图1所示），是面向农村人畜饮水多水厂联合调度和保障供水安全的管网信息化管理系统。

（1）物理层：该层是受水区采集点传感数据和基础信息的来源。通过连接大量分散的各种类型传感装置组成WSN网络，由采集终端路由与服务层的Socket数据解析服务器根据通讯协议及约定方式进行连接与解析。

（2）服务层：该层实现与物理层、数据层的连接与支撑。实现不同类型传感节点的数据包解析、数据分类存储处理、SQL语句构造，应用层客户端控制命令包的解译与转发、数据访问、异常数据包处理等。

（3）数据层：主要负责供水水厂以及供水辖区管网、阀门井结点供水信息数据的存储、管理，提供应用层所需要的空间数据、属性数据、地图配置数据等。

图1 系统体系结构

（4）应用层：该层提供供水辖区管理人员、水厂管水员等用户的具体应用。由数据库接口和服务器接口实现与数据层和服务层的信息交换和数据传送。

3 WSN网络及系统框架设计

3.1 人畜饮水安全供水管网WSN网络布局

根据不同水厂供水区域的供水管网布局，将信息采集传感器节点分散部署在村级入口阀门井上，采用ZigBee＋GPRS的方式实现供水管网信息的无线传输与控制。该网络系统的分区优化设计，综合了ZigBee网络低功耗、数据传输可靠、网络容量大，以及GPRS基于分组交换的数据传输技术，具有传输率高、误码率低、延时小、永远在线的特点。

整个供水管网系统部署由WSN子网络组成，每个WSN子网络包含一个Root节点和多个分Root节点，通过信道进行区分。整个供水辖区组成一个WSN网络。每个村级供水阀门井Root节点与网关相连，网关节点接收Root上报数据，通过GPRS模块或以太网最终将数据发送到水厂中央控制节点。系统实现信息采集阀门井结点的动态组网，支持任意子网结点信号的无线传输与主动控制。WSN结构图如图2所示。

3.2 人畜饮水安全供水管网监控系统框架

本系统由多个软件模块组合成执行一定功能的软件群，几个软件群一起协同工作，构成软件群组协作化的系统架构（如图3所示）。人畜饮水管网安全供水WSNGIS系统软件平台分Socket数据解析服务器、数据库以及远程管理与控制系统三部分，各部分相对独立，通过TCP／IP或DBLink进行数据交互，可分别独立运行于不同的操作平台及网络上。Socket数据解析服务器包括上行服务器、Map服务器和下行控制服务器。数据库部分包括基础数据库、WSN属性数据库、WSN空间数据库和WSN空间数据文件库（表1）。考虑系统需要有良好可扩展性，系统配置文件采用XML构建支持基于插件（Plus In）与脚本（Script）的扩展接口。软件系统能有效保证数据频繁收发过程中应用程序的稳定与安全，支持 Windows／Linux／Unix等多操作系统。

表1 数据内容描述

4 系统模块设计

4.1 WSN网络通讯模块

该模块实现各水厂供水阀门井采集点、监控点的自由组网与网内通讯。通讯协议根据设备终端类型以及传输类型、数据量进行定义，包括终端设备号信息（＃define ADR）、从属子设备号（＃define ADRZ）、命令码（＃define CMD）、数据域（＃define DAT）、校验码（CRC）等。CRC校验用于保证数据的传输安全和可靠性。为了方便查询设备在线状态，添加在线状态码（＃define STA），数据的起始码（＃define STX）与结束码（＃define END）等。在确保通讯双方一致的前提下，数据位置可结合实际需要任意调节。

4.2 系统守护进程模块

该模块为系统Socket数据解析服务器、数据库、远程管理与控制系统分别提供了进程守护。守护线程设为最高级别线程，系统运行过种中，不断巡检其它工作线程的在线及工作状态，发现异常，立即重新起用相应线程。Socket数据解析服务器守护线程确保Socket服务器与数据库链接、Socket服务器和远程管理与控制部分的链接以及数据交互正常进行。数据库守护线程，主要维护数据的完整性，避免物理线路或设备的中断以及电脑中断重启等异常情况引发的数据丢失。远程管理与控制系统守护线程实现与数据库、Socket服务器的链接异常中断后，自动重启线程，重新链接。引入守护线程使得在硬件设备维护上带来便利，支持在线对系统设备进行热插拔；同时也在软件上保证了数据的完整性。

4.3 系统日志诊断模块

该模块实现系统各部分的日志分级管理。为系统提供潜在问题、错误和安全漏洞等提示。包括日志文件记录服务器及系统管理运行过程中运行状态和报错信息。每次运行时记录用户的登陆、访问和一些操作信息外，主要监听信息采集控制不同终端数据的访问情况，管理系统对控制终端下位机的控制指令转发情况，以及下位机的正常反馈，对信息服务器本身的运行各线程间的进行分级管理。

通过定义消息级别确定发生事件是否写入日志文件中。信息服务器每运行一次自动生成日志文件，为方便查询与管理，日志文件名称按 “系统日期＋序号”进行命名，如“2010－10－08＿＊＊.log”，当单个文件大于2M 时，进行自动分割，重新生成新的文件。文件格式包括：日期、在线采集终端设备数，在线设备ID，控制终端分节点个数，上传命令信息串长度，信息串，插入数据库信息，系统记录错误消息等。当系统出现异常时，通过分析和提取日志文件内容，即可远程快速定位并解决问题。

4.4 Socket数据监听、解析与转发模块

该模块采用Socket技术对端口进行监听，可同时接受多个终端连接请求。当收到终端RTU－GPRS、ZigBee设备或用户的连接请求后，及时做出响应，建立一个点到点的连接，完成数据发送与接收。连接建立后，根据特征函数判别数据上传Root节点与接口类型，建立不同上传路由点与WSN上传结点的映射关系表。从数据包的信息数据位中读取出相应信息数据，形成有效的数据记录，构建标准SQL语句，将数据分类插入所属数据库信息表中。数据包接收、解译及转发流程如图4所示。

图4 数据包接收、解译、转发流程

当用户控制请求事件发生时，数据包解析器根据控制请求属性特征函数进行信息转译，自动生成二进制控制命令数据包，按原定通讯协议将该数据包由Router下发至相应IP地址和端口的终端设备，使具有唯一标识的设备终端做出正确响应，实现不同自然村供水阀门开关的主动控制及报警联动控制（如图5所示）。

4.5 GIS数据服务和空间信息处理模块

图5 用户指令接收、转译和下发流程

GIS数据服务由Map服务器完成，负责向应用层地图应用请求提供空间数据和属性数据。Map服务器从客户端接收用户提交的地图服务请求，根据请求内容从属性数据库、空间数据库以及地图配置参数数据库中获取相应的数据，然后执行所需的地图操作。Map服务器为确保系统获取WSN相应结点空间数据和属性数据，采用了双通道的组织结构。通过 AJAX（asynchronous javascript and XML）技术实现供水辖区地图数据异步传输与接收和浏览器页面的实时动态更新。该服务器支持基于插件的GIS功能扩展，采用插件式GIS，具有扩展方便、部署简单和高度可重用，可充分满足定制要求。

为实现供水监测动态数据交互与数据实时更新，将地图外的所有数据放在关系数据库中，负责实时交互的指令信息放在空间数据文件库中。而数据量小、具有临时性的发出指令信息和接收指令信息，存放于关系数据库两个独立的指令信息表中（见表2）。

表2 指令信息

该模块还负责基本的地图和影像的操作功能（漫游、放大、拖动、缩小等）；实时数据与SHP文件的动态链接与更新；实现采集点与监控点属性信息、实时信息和空间数据的地图交互查询；实时动态刷新供水水厂水泵开关状态、水厂液位等信息；阀门井供水阀门开关、管道压力、瞬时流量的实时显示；供水辖区卫星影像栅格数据（＊.tif）与管道供水节点、供水管线矢量数据（＊.shp）的匹配和更新；地图实时定位显示所有供水管网关键运行参数；点击查询各采集点所属管辖小组、管道基础信息及供水状态等。

4.6 分析与决策服务模块

该模块实现用户对水厂供水区域基础信息及灌溉信息的实时监控、历史查询、决策分析、供水险情报警、故障排查和主动控制。主要实现①多水厂联合供水调度；②远程无线监控供水管网关键设备参数及运行状态；③数据的实时存储、动态表现、历史查询和分析处理；④水厂供水阀门的主动控制；⑤防盗及故障报警等功能。结合安全供水联合调度控制设备，当机井水源意外污染时，可实现远程切断上游污染水源，就近选择水厂进行临时调水，防止大面积污染。当原有机井出现供水量不足时，可实现灵活选择联网水厂水量充沛机井进行联合供水。此外，本系统还提供了基于脚本语言的模块扩展。

5 系统实现与应用

人畜饮水管网安全供水WSNGIS系统应用于北京市怀柔区北房镇北房联合水厂，涉及北房镇梨园庄、郑家庄等8个行政村。

网络硬件系统由供水信息采集传感器、ZigBee数据采集与传输设备、RTU－GPRS数据采集与传输设备、ZigBee路由器、ZigBee中继器、控制设备等组成。RTU－GPRS设备处理芯片采用Rabbit Semiconductor公司生产的Rabbit3000微处理器以及GPRS模块采用华为公司的EM310模块。ZigBee模块采用Jennic公司生产的JN5139单片无线微控制器。整个供水辖区组成由多个Root节点和分Root节点组成的WSN网络。上位机软件Socket数据解析服务器部分基于标准C语系统言开发。远程管理与控制系统采用Visual Studio 2005C＃开发，空间数据文件采用ESRI Shape（＊.shp）文件格式，影像文件采用TIF（＊.tiff）格式，地图配置文件格式采用XML（＊.xml），地图＊.ocx组件选用开源GIS控件MapWindow完成。数据库选用开源的MySQL数据库，实现供水管网相关信息的数据访问和数据维护。

水厂现场运行结果表明，该系统综合了ZigBee网络低功耗、数据传输可靠、网络容量大以及GPRS基于分组交换的数据传输技术，具有传输率高、误码率低、延时小、永远在线的优点。供水管网WSN快速组成，网络连通良好，抗干扰性强，长距离传输性能稳定，各传感器终端能按所设定的采集周期实时上传。可实现供水阀门井监测点的灵活增加与调整。总体上，系统界面直观、操作简单，达到了预期功耗低、连通性好、可扩展性强、跨平台、高效率、人机界面友好的要求。

6 结束语

该方案提出了软件群组协作化框架设计的思想，将GIS技术、WSN技术和数据库技术相结合，多个软件群协同工作，满足了多水厂联合调度、人畜饮水安全调度、供水管网实时监控、信息化管理等的需求。该设计具有较强的动态性、开放性与可扩展性。基于该设计，用户能根据需求变化，自主扩展外设，灵活调整WSN网络，继续深化GIS空间分析功能。本系统的实现，为农村人畜饮水供水管网规模化、规范化发展提供了信息化管理思路，为社会主义新农村人畜饮水工程建设和发展提供更全面的技术保障。

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