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智慧水务项目建设内容包括水环境治理设施监测、水务信息资源中心、水务综合监管平台（监测监控、治水监督、应急指挥、综合服务、决策支撑及集成开发）、水务专题应用（包括防汛、环保、排水）等，监管体系如图1所示。 图1 智慧水务监管体系 2技术架构
图2展示了基于物联网体系结构而设计的水务分层架构模型。按照物联网体系结构，我们将智慧水务架构抽象为4个层：感知层、网络层、平台层、应用层。 图2 水务分层架构模型 3关键设计决策
任何架构和设计决策，最终都是解决业务问题的重大关键。智慧水务开发和实施过程中面临着如下的技术挑战：
- “物”的多样性和差异性。水务的监测对象包括：闸门、泵站、排海管网、水质检测站等。监测指标涉及PH值、COD、流量等。监测数据来自于不同的工业传感器、自动控制系统、智能终端设备、电子标签，它们运行于不同类型的操作系统或者微控制器上，使用不同的数据协议，如Modbus、DNP3、DL101、OPC等。
- “物”所处的网络环境多样性。物联网设备通过不同的方式接入到骨干传输网络中，比如RFID、WIFI、蓝牙等。
- 物联网应用层协议的多样性。在镇海水务项目中，我们采用的协议有MQTT、HTTP（REST）、WebSocket。
- 数据采集、传输和处理的实时性。在应急响应、实时监控方面，对数据以及系统响应的实时性有较高的要求。
- 海量数据的实时处理和存储、分析。
除此之外，各单位都存在一些已建或在建的系统，数据孤岛现象严重，难以互连互通。
图3 智慧水务SCADA系统的逻辑架构
那么，我们是如何解决和应对这诸多挑战的呢？接下来将重点介绍4项关键技术。它们是：
- 物联网网关——解决众多传感设备的数据采集和处理问题；
- 海量数据存储——解决物联网传感器产生的海量数据存储问题；
- 实时通信——解决数据通信的实时性问题，从“感知层”到“展示层”的上行通信，以及从“展示层”到“感知层”的下行通信；
- 数据交换与共享——解决不同单位和系统间数据交换与共享的问题。
物联网网关
智慧水务项目的各类监测设备主要是工业自动化系统的传感器，如水质PH值、COD等的检测、流量计、水位计等。Modbus协议是水务水利工业传感协议的事实标准，此外，OPC协议应用也较为广泛。虽然是标准协议，但由于各单位已经存在一些原有的自动化监控系统，设备来自不同的厂家，系统也不是一个开发商提供的，所以对Modbus协议的实现方式不完全一致，增加了系统开发和集成的难度和工作量。
针对此类共性需求，项目中我们自主研发了物联网网关产品。物联网网关通俗的讲就是一个通用的数据采集和通信网关。它内置了对主流数据协议的支持，并且提供自定义插件来实现动态扩展，即对于非内置支持的协议，可支持协议的二次定制开发。开发人员只需要继承DataSource基类，实现特定的override方法，即可迅速完成一个新“数据源”程序的开发。然后将动态链接库（DLL）通过管理工具发布到物联网网关服务器，即可实现与特定类型设备和传感器的通信，如图4。 图4 物联网网关工作原理示意图 海量数据存储
智慧水务项目一期接入了诸多的监测厂、站、节点等，不同类型监测指标的采集频率也不完全相同。根据统计，所有节点一天上报的监测数据约为4.32亿条，1年下来就是1500亿条记录，约7.2TB。
基于以上的容量规划，经过技术调研和可行性验证，我们最终选择采用MongoDB数据库作为实时数据的持久化存储。
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