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百葉箱的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、云平臺應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原型如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括氣象自動觀測儀、水質(zhì)自動觀測儀、液位自動觀測儀、自動土壤水分觀測儀、土壤水分宇宙射線儀、土壤鹽度與酸堿度檢測儀、地下水位儀、大氣負(fù)氧離子監(jiān)測儀等儀器，可以將氣象觀測、土壤觀測、水體觀測以及環(huán)境觀測（負(fù)離子濃度、空氣溫濕度）要素通過無線通訊方式直接傳輸至中心站，實(shí)現(xiàn)對氣象、土壤、水體和負(fù)氧離子等相關(guān)要素的在線監(jiān)測；終端系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，可以查詢和顯示濕地氣象信息；云平臺應(yīng)用軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信息的采集入庫、信息統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)的管理、預(yù)警和對策的發(fā)布。

邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)采主要包括采集層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。

（1）采集層

采集層由感知部分和網(wǎng)絡(luò)部分組成，其中感知部分由分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采集對象包括氣象、植被、土壤、水體、大氣環(huán)境等。傳感器的類型可以根據(jù)需要監(jiān)測的濕地參數(shù)進(jìn)行選擇，如二氧化碳、光合有效傳感器等；網(wǎng)絡(luò)部分接收感知層各傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，通過其他外部的網(wǎng)絡(luò)（Internet/GPRS/3G/4G）將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域發(fā)出各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的查詢請求命令，并對收集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

（2）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層按照規(guī)范的程序和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行處理、交換以及管理。數(shù)據(jù)庫由基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、生態(tài)要素信息數(shù)據(jù)庫、信息發(fā)布數(shù)據(jù)庫等組成。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理有多種模式，提供面向消息中間件的適配器接口，通過這個接口，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地向第三方系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資源建設(shè)按照業(yè)務(wù)分類、依托應(yīng)用系統(tǒng)采集、組織數(shù)據(jù)，并在應(yīng)用過程中逐步完善和豐富。

（3）支撐層

支撐層通過選擇各種成熟的中間件、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建系統(tǒng)的應(yīng)用支撐環(huán)境。提供客戶端數(shù)據(jù)和服務(wù)接口；客戶端應(yīng)用最終都轉(zhuǎn)換為對這些接口的調(diào)用，這些接口在實(shí)際應(yīng)用中也可以得到更新和補(bǔ)充。

（4）應(yīng)用層

在支撐層的基礎(chǔ)上，生態(tài)氣象觀測數(shù)據(jù)收集處理與應(yīng)用分析平臺系統(tǒng)通過信息查詢與發(fā)布系統(tǒng)，統(tǒng)一信息查詢?nèi)肟?，依?jù)用戶權(quán)限為不同用戶發(fā)布不同的數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用層通過規(guī)范化流程、友好界面和方便性操作設(shè)計(jì)，為行業(yè)監(jiān)管、領(lǐng)導(dǎo)決策提供信息服務(wù)，提供監(jiān)測信息發(fā)布、預(yù)警信息發(fā)布等信息服務(wù)。

（5）展現(xiàn)層

展現(xiàn)層包括Web應(yīng)用軟件、手機(jī)APP，提供信息發(fā)布和查詢等功能，并為各功能平臺提供統(tǒng)一服務(wù)入口，實(shí)現(xiàn)生態(tài)氣象信息的發(fā)布和查詢。

8 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的生態(tài)氣象觀測要素包含氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、水體環(huán)境以及大氣環(huán)境五大類。除了區(qū)域植被狀況和水域面積的觀測通過無人機(jī)航拍實(shí)現(xiàn)外，其它所有觀測要素?cái)?shù)據(jù)均可通過地面觀測設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，且監(jiān)測數(shù)據(jù)及各設(shè)備儀器的相關(guān)狀態(tài)信息（傳感器狀態(tài)、通信狀態(tài)、電池狀態(tài)、采集器狀態(tài)等）均可通過無線通訊方式直接傳輸至中心站。系統(tǒng)觀測要素豐富且安裝儀器設(shè)備較多，由于觀測對象和現(xiàn)場環(huán)境的限制，多數(shù)設(shè)備無法集中布設(shè)，且安裝距離較遠(yuǎn)，這給數(shù)據(jù)的集中采集帶來困難。依據(jù)儀器的觀測對象和安裝位置，項(xiàng)目采用區(qū)域數(shù)據(jù)分離采集并單獨(dú)上傳的方案，上傳數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)（3G/4G）方式傳輸至中心站。

除此之外，由于系統(tǒng)共包含多類觀測設(shè)備，采集對象種類較多，且均通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，為了降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)采集的頻次、監(jiān)測對象的選擇、采樣點(diǎn)選擇和采樣點(diǎn)傳感器布設(shè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

9 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

S-CG200型大氣負(fù)(氧)離子監(jiān)測儀可支持通過多種方式傳輸數(shù)據(jù)，其中主要以遠(yuǎn)程無線（3G/4G）、遠(yuǎn)程有線（光纖）、近距離有線（RS485/RS232、RJ45）等幾種方式。

大氣負(fù)（氧）離子自動監(jiān)測系統(tǒng)是專為大氣環(huán)境監(jiān)測開發(fā)的大氣負(fù)（氧）離子自動監(jiān)測站。數(shù)據(jù)傳輸主要以：GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、客戶機(jī)（服務(wù)器和客戶端可為同一臺電腦）等組成。無須布傳輸線。

根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場的通信條件，可選用公網(wǎng)GPRS/CDMA/3G進(jìn)行通信傳輸， 無線通信（GPRS/CDMA/3G）是指不需要物理連接線的通信，即利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特征進(jìn)行信息交換的一種通信方式。無線通信設(shè)備最大優(yōu)點(diǎn)就是環(huán)境，不需要受安裝通訊線的限制，具有一定的移動性，可以在移動狀態(tài)下通過無線連接進(jìn)行通信，施工難度低，成本和費(fèi)用相對較低，傳輸距離基本不受限制。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以借助于當(dāng)?shù)谿PRS、CDMA、3G/4G等公用網(wǎng)信息平臺實(shí)現(xiàn)，方便且可靠。

9 供電設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測站供電方式主要有市電供應(yīng)和太陽能供電兩種。本系統(tǒng)觀測位置處于野外，多數(shù)處于自然保護(hù)區(qū)，考慮到站點(diǎn)距離市電接入點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，且專供線審批、占地、造價(jià)、協(xié)調(diào)、安全和維護(hù)的問題較多，因此不予采用。

太陽能光伏供電系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，目前在我國絕大部分地區(qū)具備廣泛應(yīng)用條件。本系統(tǒng)建立在生態(tài)保護(hù)區(qū)，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮儀器的綠色節(jié)能特性，本方案采用太陽能供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)站內(nèi)各自動監(jiān)測站的供電。

因此本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了供電的可靠性、安全性，且各觀測設(shè)備采用了低功耗設(shè)計(jì)，太陽能供電單元主要由太陽能光伏電池板、充放電控制器、儲能蓄電池組成。供電容量主要和連續(xù)工作陰雨天數(shù)、每天工作時(shí)間、系統(tǒng)功耗相關(guān)，本方案儀器在無陽光的情況下可連續(xù)工作15天以上。