液位水质气象自动环境观测站架构

总体架构设计
整个系统由数据采集系统、终端系统、云平台应用软件系统组成，系统原型如图1所示。数据采集系统包括气象自动观测仪、水质自动观测仪、液位自动观测仪、自动土壤水分观测仪、土壤水分宇宙射线仪、土壤盐度与酸碱度检测仪、地下水位仪、大气负氧离子监测仪等仪器，可以将气象观测、土壤观测、水体观测以及环境观测（负离子浓度、空气温湿度）要素通过无线通讯方式直接传输至中心站，实现对气象、土壤、水体和负氧离子等相关要素的在线监测；终端系统由计算机、网络设备组成，可以查询和显示湿地气象信息；云平台应用软件系统可以实现信息的采集入库、信息统计分析、系统的管理、预警和对策的发布。
图2 环境原型 7 逻辑架构设计
整个系统采主要包括采集层、数据层、支撑层、应用层、展现层，系统逻辑架构如图2所示。
（1）采集层
采集层由感知部分和网络部分组成，其中感知部分由分布在监测区域的传感器节点构成，传感器采集环境数据，采集对象包括气象、植被、土壤、水体、大气环境等。传感器的类型可以根据需要监测的湿地参数进行选择，如二氧化碳、光合有效传感器等；网络部分接收感知层各传感器节点传送来的数据，通过其他外部的网络（Internet/GPRS/3G/4G）将数据传送到监测中心，监测中心负责对目标监测区域发出各项环境指标的查询请求命令，并对收集上来的数据进行分析处理。
（2）数据层
数据层按照规范的程序和数据标准，对数据资源进行处理、交换以及管理。数据库由基础信息数据库、生态要素信息数据库、信息发布数据库等组成。系统对数据处理有多种模式，提供面向消息中间件的适配器接口，通过这个接口，系统可实时地向第三方系统交换数据。数据资源建设按照业务分类、依托应用系统采集、组织数据，并在应用过程中逐步完善和丰富。
（3）支撑层
支撑层通过选择各种成熟的中间件、数据库技术和技术架构，构建系统的应用支撑环境。提供客户端数据和服务接口；客户端应用最终都转换为对这些接口的调用，这些接口在实际应用中也可以得到更新和补充。
（4）应用层
在支撑层的基础上，生态气象观测数据收集处理与应用分析平台系统通过信息查询与发布系统，统一信息查询入口，依据用户权限为不同用户发布不同的数据信息。应用层通过规范化流程、友好界面和方便性操作设计，为行业监管、领导决策提供信息服务，提供监测信息发布、预警信息发布等信息服务。
（5）展现层
展现层包括Web应用软件、手机APP，提供信息发布和查询等功能，并为各功能平台提供统一服务入口，实现生态气象信息的发布和查询。
8 数据采集设计
本系统中的生态气象观测要素包含气象环境、土壤环境、水体环境以及大气环境五大类。除了区域植被状况和水域面积的观测通过无人机航拍实现外，其它所有观测要素数据均可通过地面观测设备进行在线监测，且监测数据及各设备仪器的相关状态信息（传感器状态、通信状态、电池状态、采集器状态等）均可通过无线通讯方式直接传输至中心站。系统观测要素丰富且安装仪器设备较多，由于观测对象和现场环境的限制，多数设备无法集中布设，且安装距离较远，这给数据的集中采集带来困难。依据仪器的观测对象和安装位置，项目采用区域数据分离采集并单独上传的方案，上传数据通过无线网络（3G/4G）方式传输至中心站。
除此之外，由于系统共包含多类观测设备，采集对象种类较多，且均通过无线网络上传至数据中心，为了降低数据中心网络带宽的压力，系统针对数据采集的频次、监测对象的选择、采样点选择和采样点传感器布设进行了设计。
9 数据传输设计
S-CG200型大气负(氧)离子监测仪可支持通过多种方式传输数据，其中主要以远程无线（3G/4G）、远程有线（光纤）、近距离有线（RS485/RS232、RJ45）等几种方式。
大气负（氧）离子自动监测系统是专为大气环境监测开发的大气负（氧）离子自动监测站。数据传输主要以：GPRS数据传输网络、数据接收服务器、客户机（服务器和客户端可为同一台电脑）等组成。无须布传输线。
根据监测现场的通信条件，可选用公网GPRS/CDMA/3G进行通信传输， 无线通信（GPRS/CDMA/3G）是指不需要物理连接线的通信，即利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特征进行信息交换的一种通信方式。无线通信设备最大优点就是环境，不需要受安装通讯线的限制，具有一定的移动性，可以在移动状态下通过无线连接进行通信，施工难度低，成本和费用相对较低，传输距离基本不受限制。因此，在进行数据传输时，可以借助于当地GPRS、CDMA、3G/4G等公用网信息平台实现，方便且可靠。
 
9 供电设计
传统的气象监测站供电方式主要有市电供应和太阳能供电两种。本系统观测位置处于野外，多数处于自然保护区，考虑到站点距离市电接入点距离较远，且专供线审批、占地、造价、协调、安全和维护的问题较多，因此不予采用。
太阳能光伏供电系统技术相对成熟，目前在我国绝大部分地区具备广泛应用条件。本系统建立在生态保护区，项目建设时应充分考虑仪器的绿色节能特性，本方案采用太阳能供电系统实现对试验站内各自动监测站的供电。因此本系统在设计时充分考虑了供电的可靠性、安全性，且各观测设备采用了低功耗设计，太阳能供电单元主要由太阳能光伏电池板、充放电控制器、储能蓄电池组成。供电容量主要和连续工作阴雨天数、每天工作时间、系统功耗相关，本方案仪器在无阳光的情况下可连续工作15天以上。