王晓玲，樊文超

(沧州师范学院计算机科学与工程学院,河北沧州061001)

基于物联网设计的地热井监测系统

王晓玲，樊文超

(沧州师范学院计算机科学与工程学院,河北沧州061001)

基于物联网设计的地热井监测系统，选择物联网传感器对地热井水位、流量等数据进行监测，通过GPRS技术基于透明传输把采集数据传输到远程服务器；服务器采用Socket技术异步通信方式进行数据接收，实现对地热井的实时监测.该系统具有较好的实时监测能力，对地热井信息的传输和识别性能较好，具有较高的应用性，实现了对地热井运行的实时远程监测，提高了地热资源的利用率，保证了地热井运行的稳定性、可靠性.

物联网；GPRS；Socket；透明传输

地热是一种清洁能源，在当前能源紧张、环境问题日益受到重视的情况下，加强地热资源的利用具有极其重要的意义.沧州市拥有丰富的中低温地热资源，开采地热井238眼，其中开采利用的地热井有199眼，主要用于供暖、洗浴、种植、养殖，已经取得了良好的经济、社会和环境效益.但长期以来地热井采集地热资源上自成体系、独立运行，形成了一座座信息孤岛.由于完全依赖人工、信息传递不及时，经常造成各种运行和维护方面的故障.地热井远程监测无疑是解决地热资源高效、安全使用的重要基础手段.目前地热井监测技术正朝着智能化和网络化的方向发展.物联网技术的兴起与应用，能够提高地热井监测的技术和质量.物联网既能融入到不同的应用实例中，也能够针对某一领域构建统一平台，为不同的应用提供接口服务，实现资源共享.

1 基于物联网的地热井监测系统的结构设计

物联网(The Internet of Things，IoT)即“物物相连的互联网”[1]，随着它的兴起，物联网技术被应用在交通、物流、农业等不同领域，但在地热井监测中的应用才刚刚起步.在地热井监测系统中，用物联网中的水温传感器、压力传感器、水位传感器等感知节点采集地热井温度、水压和水位等数据，然后通过ZigBee传输协议把采集的数据传送到物联网网关.物联网网关汇聚采集的数据，最后通过使用GPRS网络或4G网络把数据传送到上位机，进而进行数据统计与分析.物联网地热井监测系统拓朴图如图1所示.

图1 基于物联网的地热井监测系统拓朴图

基于物联网的地热井监测系统由于采用ZigBee技术部署网络结构，不仅具有DTU远程监测方式的优点，而且将地热井数据采集设备和传输设备合成单个感知节点，采用无线通信技术，方便部署和维护，降低了通信成本，但由于物联网技术正处在发展阶段，需要软件系统的支持，相对DTU远程监测方式整体造价高[2].

2 基于物联网的地热井监测系统的软件体系设计

2.1 扩展的三层架构工厂模型

三层架构是一种流行的软件设计架构，具有高内聚、低偶合的优点，但DAL层具有局限性，灵活度不高，而基于三层架构的工厂模型，主要在DAL层增加Ifactory接口，DAL层通过调用Ifactory接口来访问数据库，Ifactory接口如同一个开关，可根据软件的配置访问不同数据库，提高了软件的重用性.

在地热井监测系统中，除了需要考虑软件的重用性外，由于现在我国物联网技术正处在发展阶段，在物联网传输协议上还未有统一标准，各厂家提供的传输协议和硬件驱动还是各自为战.为此，对三层架构工厂模型进行扩展，Ifactory层不仅负责数据库的选择，同时增加设备与传输协议的选择，为不同的设备和传输协议提供统一接口，在Ifactory内部根据不同品牌、不同型号的设备进行驱动和协议选择，提高软件的兼容性.扩展的三层架构工厂模型如图2所示.

图2 扩展的三层架构工厂模型

2.2 数据库设计

数据库设计是软件设计中的关键部分，属于底层设计，其设计的好坏将影响到软件质量的优劣，同时对数据库的修改将引起整个软件从底层到上层每个层的调整，修改工作量大，资金浪费高.所以数据库设计的好坏是评价一个软件系统优劣的关键指标.

图3 部门ER图设计

基于物联网的地热井监测系统的主要信息有设备信息、传输数据信息、部门信息、用户角色和用户权限，其中部门信息分国家、省、市及县，对于不同的使用者提出的前期需求存在不一致性，如果是市级，其包括市和县两个级别，按传统的设计方法可得出市级和县级2个实体，如果是国家级，那么需要设计出4个级别的实体.如果按最大需求设计实体数量，势必造成实体和空间的浪费.本系统中数据设计打破传统ER设计方法，采用反范式设计，对部门实体采用自身连接，增加ParentID属性，用于指向其父节点，即上级部门，这样设计的优点是可使部门级别达到无限级，解决实体个数的限制.如图3所示.

3 基于物联网的地热井监测系统的核心算法设计

3.1 Socket工作原理

使用GPRS网络或4G网络与服务器通信，主要采用Socket套接字方式，基于TCP建立IP地址和端口进行会话，一旦终端与服务器建立了Socket连接，就可以进行可靠的会话.基于Socket工作原理步聚如下：

(1)服务器创建Socket，绑定套接字，即IP地址和端口，进入侦听(Listen)状态.

(2)终端创建Socket，并指定服务器端的IP地址和端口，向服务器端发送连接请求(Connect).

图4 Socket工作原理

(3)服务器接收请求(Accept)，并建立与终端的会话.

(4)服务器与终端之间进行数据传输(Receive和Send).

(5)关闭连接，中断会话.

Socket工作原理图如图4所示.在Socket通信中分同步通信和异步通信，同步通信是指在操作没有完成之前一直处于阻塞状态，同步通信适用于会话线程较少的情况，但会话较多时，整个系统的性能就会受到影响；异步通信能在工作尚未完成的时候继续处理其他的工作，创建单独的会话，在单独的线程中执行，可同时执行多个会话.基于物联网的地热井监测系统为提高系统性能，减少数据丢包率，采用异步通信方式.

3.2 GRPS透明传输数据接收算法

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，它使得用户能够在端到端分组传送模式下发送和接收数据[3],是远程监测系统常用的通信方式，这种方式速度快、灵活性高、费用低.

透明传输是指用户不受协议中任何限制，可随机地传输任意比特编码的信息，用户可以完全不必知道协议中所规定的结束段的比特编码或者其他的控制字符[4].在GPRS透明通讯指令格式中除去11位手机号为ASCII码，其余所有数据为16进制，其发送数据步骤如下：

(1)通过设备设置的服务器IP地址和端口号，建立与远程服务器的连接，进行会话.

(2)发送带指令格式的数据包，如图5所示，第1个字节为报头35，第2个字节为控制位，第3-8个字节为IMEI，即11位手机号，然后是数据内容.

字节 0 1 2…7 8……

35控制位IMEIData35

图5 第一次指令格式

(3)如果(2)中一次把所有数据发送完成，结束本次会话；否则进行第二次不带指令格式的发送，本次发送内容全部为数据，不包含指令、IMEI等信息.

在服务器端异步接收数据步骤如下：

(1)判断接收数据的长度，大于8个字节为有效传输，否则为无效传输，忽略本次会话.

(2)判断第1、2个字节如果为35，则为带指令格式的数据传输，如图6，否则为不带指令格式的传输，转到步骤(5).

图6 带指令格式的数据

(3)读取3-8字节IMEI数据，未经过处理的数据如图7，转换为ASCII码，处理后的数据如图8.

图7 未经处理的数据

图8 转换后的数据

(4)读取第9字节以后的数据，此为传输的数据内容，如图9，然后转到(6).

图9 不带指令格式的数据

(5)读取所有字节内容.

(6)结束本次通信.

4 结束语

本文针对河北省地矿局第四水文工程地质大队提出一种基于物联网的地热井监测系统的设计方法，改变传统的人工监测方法，利用物联网技术实现远程监测.终端监测采用物联网传感器，通过Zigbee通信传输采集数据信息，然后利用GPRS技术远程传输到服务器，在服务器端基于Socket异步通信和透明传输接收数据，实现了对地热井的实时监测.采用本文设计的系统进行地热井监测，具有较好的实时监测能力，对地热井信息的传输和识别性能较好，具有较高的应用性.

[1] Mankar J,Darode C,Trivedi K,etal.REVIEW OF I2C PROTOCOL[J].International Journal,2014,2(1):110-114.

[2] 马俊.C#网络应用编程(第2版)[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[3] 张洋洋,赵建平,徐娟娟.基于物联网技术的水文监测系统研究[J].通信技术,2012，45(4)：108-111.

[4] 谢启顺.水资源监测物联网平台的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[责任编辑：尤书才]

Geothermal Well Monitoring System Based on the Design of Internet of Things

WANG Xiao-ling, FAN Wen-chao

(College of Computer Science and Engineering,Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China)

Geothermal well monitoring system based on the design of internet of thingschooses internet sensor to monitor such data as water level and flow rate of geothermal well. With GPRS technology, it transforms data to remote server on the basis of transparent transmission.Server adopts Socket technology Asynchronous Communication Method to

ata, to achieve real-time monitoring of geothermal Wells. This system proves efficient in real-time remote monitoring, owing to itsgood performance in geothermal well information transmission and recognition. With its high applicability, this monitoring system can ensure real-time monitoring, improve the utilization of geothermal resources, and guarantee the stability and reliability of geothermal well running.

Internet of Things; GPRS;Socket;transparent transmission

2017-04-14

王晓玲(1976-)，女，河北沧州人，沧州师范学院计算机科学与工程学院讲师.

TP391.4

A

2095-2910(2017)02-0062-04