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百葉箱的總體架構(gòu)設計邏輯架構(gòu)設計

總體架構(gòu)設計

整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、云平臺應用軟件系統(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，實現(xiàn)對氣象、土壤、水體和負氧離子等相關(guān)要素的在線監(jiān)測；終端系統(tǒng)由計算機、網(wǎng)絡設備組成，可以查詢和顯示濕地氣象信息；云平臺應用軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)信息的采集入庫、信息統(tǒng)計分析、系統(tǒng)的管理、預警和對策的發(fā)布。

邏輯架構(gòu)設計

整個系統(tǒng)采主要包括采集層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層、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)進行選擇，如二氧化碳、光合有效傳感器等；網(wǎng)絡部分接收感知層各傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，通過其他外部的網(wǎng)絡（Internet/GPRS/3G/4G）將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心負責對目標監(jiān)測區(qū)域發(fā)出各項環(huán)境指標的查詢請求命令，并對收集上來的數(shù)據(jù)進行分析處理。

（2）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層按照規(guī)范的程序和數(shù)據(jù)標準，對數(shù)據(jù)資源進行處理、交換以及管理。數(shù)據(jù)庫由基礎信息數(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)可實時地向第三方系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資源建設按照業(yè)務分類、依托應用系統(tǒng)采集、組織數(shù)據(jù)，并在應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)的應用支撐環(huán)境。提供客戶端數(shù)據(jù)和服務接口；客戶端應用最終都轉(zhuǎn)換為對這些接口的調(diào)用，這些接口在實際應用中也可以得到更新和補充。

（4）應用層

在支撐層的基礎上，生態(tài)氣象觀測數(shù)據(jù)收集處理與應用分析平臺系統(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。應用層通過規(guī)范化流程、友好界面和方便性操作設計，為行業(yè)監(jiān)管、領導決策提供信息服務，提供監(jiān)測信息發(fā)布、預警信息發(fā)布等信息服務。

（5）展現(xiàn)層

展現(xiàn)層包括Web應用軟件、手機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)一服務入口，實現(xiàn)生態(tài)氣象信息的發(fā)布和查詢。

8 數(shù)據(jù)采集設計

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航拍實現(xiàn)外，其它所有觀測要素數(shù)據(jù)均可通過地面觀測設備進行在線監(jiān)測，且監(jiān)測數(shù)據(jù)及各設備儀器的相關(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備較多，由于觀測對象和現(xiàn)場環(huán)境的限制，多數(shù)設備無法集中布設，且安裝距離較遠，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，項目采用區(qū)域數(shù)據(jù)分離采集并單獨上傳的方案，上傳數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡（3G/4G）方式傳輸至中心站。

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

9 數(shù)據(jù)傳輸設計

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

大氣負（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（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、數(shù)據(jù)接收服務器、客戶機（服務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行信息交換的一種通信方式。無線通信設備最大優(yōu)點就是環(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)下通過無線連接進行通信，施工難度低，成本和費用相對較低，傳輸距離基本不受限制。因此，在進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以借助于當?shù)谿PRS、CDMA、3G/4G等公用網(wǎng)信息平臺實現(xiàn)，方便且可靠。

9 供電設計

傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測站供電方式主要有市電供應和太陽能供電兩種。本系統(tǒng)觀測位置處于野外，多數(shù)處于自然保護區(qū)，考慮到站點距離市電接入點距離較遠，且專供線審批、占地、造價、協(xié)調(diào)、安全和維護的問題較多，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)具備廣泛應用條件。本系統(tǒng)建立在生態(tài)保護區(qū)，項目建設時應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)實現(xiàn)對試驗站內(nèi)各自動監(jiān)測站的供電。

因此本系統(tǒng)在設計時充分考慮了供電的可靠性、安全性，且各觀測設備采用了低功耗設計，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。