基于Nagios和Cacti平臺的地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )管理系統

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是伴隨著(zhù)微電子、無(wú)線(xiàn)通信和嵌入式系統等技術(shù)的快速進(jìn)步而發(fā)展的一種新型網(wǎng)絡(luò )。它能夠實(shí)時(shí)監測、感知、采集和處理各種監測對象的信息，是新興前沿科技研究熱點(diǎn)之一。本文針時(shí)地質(zhì)災害環(huán)境監測預警需求，通過(guò)利用無(wú)線(xiàn)傳感器及傳感網(wǎng)技術(shù)對山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害環(huán)境進(jìn)行不同斷的高精度數據搜集，設計并實(shí)現了一個(gè)基于Nagios和Cacti平臺的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )管理平臺。通過(guò)本文開(kāi)發(fā)的監測預警網(wǎng)絡(luò )管理平臺，可以有效地獲得監測信息，并通過(guò)監測預警機制來(lái)減少地質(zhì)災害頻發(fā)地區的人員傷亡和經(jīng)濟損失。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器；地質(zhì)災害監測預警；Nagios and Cacti；網(wǎng)絡(luò )管理平臺

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種全新的網(wǎng)絡(luò )化信息獲取與處理技術(shù)，具有動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)多跳路由和多路徑數據傳輸功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由分布在不同位置的具有數據采集及處理單元、通信模塊的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，能夠對多個(gè)對象實(shí)施時(shí)間監測、數據采集和控制。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以感知、收集、分析、處理各種信息，包括溫度、濕度、地表信息等，同時(shí)結合數據融合技術(shù)處理信息，已經(jīng)在軍事領(lǐng)域、農業(yè)、安全監控、環(huán)保監測、建筑領(lǐng)域、醫療領(lǐng)域、工業(yè)監控、智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
突發(fā)性山體滑坡、崩塌、泥石流是我國最嚴重的幾種地質(zhì)災害類(lèi)型，因其發(fā)生時(shí)間短、隱蔽性強、破壞性大，造成重大人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失。目前為止，國內已經(jīng)建立的用于監測突發(fā)性滑坡、崩塌、泥石流的自然災害的網(wǎng)絡(luò )，由于受到復雜的地理條件、技術(shù)因素等影響，大多采用人工收集方式，導致出現數據收集不及時(shí)，信息覆蓋不足的缺點(diǎn)，難以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測滑坡泥石流地質(zhì)災害并提供預警機制。本文通過(guò)建立基于Nagios和Cacti平臺的新的地質(zhì)災害預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)一步提升無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)對自然災害的監測預警能力，提高地質(zhì)災害監測覆蓋范圍和可靠性，從而減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。

1 智能無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )管理體系結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )后臺管理軟件一般由3大部分組成，如圖1所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集環(huán)境數據，并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到后臺管理平臺(遠程應用)，后臺管理平臺(遠程應用)對這些數據進(jìn)行分析、處理、存儲，以得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的相關(guān)信息，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的運行和環(huán)境狀況進(jìn)行監測。此外，后臺管理平臺也可以發(fā)起任務(wù)并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )告知無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，從而完成特定任務(wù)。

整個(gè)地質(zhì)災害無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )監測系統為3層的MESH網(wǎng)絡(luò )，由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )層、網(wǎng)關(guān)層、以及TD—SCDMA和遠程監控中心層(如圖2所示)。為了能夠得到有效及時(shí)的監測信息，在監測區域布置了采用ZigBee協(xié)議的傳感器節點(diǎn)，如雨量計、深部位移計、地表位移裂縫計、孔隙水壓計等，這些傳感器節點(diǎn)與中繼節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式形成最底層的傳感器監測網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)關(guān)層為匯聚網(wǎng)關(guān)層，使用WiFi進(jìn)行數據的傳輸，該層包括ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)、WiFi中繼節點(diǎn)、TD—SCDMA網(wǎng)關(guān)與大數據量的音視頻傳感器節點(diǎn)、GPS傳感器節點(diǎn)和地聲傳感器節點(diǎn)。遠程監控中心采用TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò )與地質(zhì)災害監測中心站進(jìn)行數據交換。TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò )具有覆蓋范圍廣、數據傳輸率高的特點(diǎn)。使用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )可以基本滿(mǎn)足當前的監測傳感器與多媒體數據的傳輸需求，并可以大大降低研發(fā)和部署成本。

2 地災監測無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )管理系統技術(shù)方案
用于監測突發(fā)性山體滑坡、崩塌、泥石流的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )管理平臺選擇基于Nagios和Cacti平臺進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。Nagios網(wǎng)絡(luò )監控系統是基于Linux平臺開(kāi)發(fā)的，采用分布一集中的管理方式，它可以通過(guò)代理或無(wú)代理的方式監控Windows／Linux服務(wù)器、路由器和交換機、網(wǎng)關(guān)、傳感器等設備。Nagios服務(wù)器本身是沒(méi)有監測機制的，它是通過(guò)插件來(lái)連接被監控的主機，被監控的主機通過(guò)Nagios客戶(hù)端把自己運行的狀況反饋給監控端服務(wù)器，系統管理人員可以通過(guò)web界面查看設備的連接狀態(tài)，及時(shí)了解被監控對象的運行狀態(tài)，當被監控對象的監控信息達到了一定的報警閾值時(shí)，Nagios也可以通過(guò)設定的通信方式(例如手機、短信、郵件等)給管理人員發(fā)送報警信息，及時(shí)通知管理人員處理報警信息。
Cacti是一套基于開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)SNMP協(xié)議，運用php、mysql、snmp和rrdtool開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )流量監控工具，可生成對物理設備CPU、內存、端口流量的監控圖，還可以通過(guò)自定義生成豐富的圖表，如防火墻的連接數、VPN連接數、設備環(huán)境溫度、UPS電壓變化等等。Cacti有豐富的插件庫，可以支持路由器、交換機、防火墻、服務(wù)器、存儲等等。針對地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的需求，在ubuntu11．04平臺下對Nagi os和Cacti進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將新研發(fā)的插件集成Nagios到Cacti框架，形成新的網(wǎng)絡(luò )管理平臺，用于監測預警地質(zhì)災害的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。

3 Nagios系統平臺配置過(guò)程
基于Nagios和Cacti的地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統是在ubuntu11．04平臺下安裝開(kāi)發(fā)的，充分利用Nagios框架的通信插件，并集成到Cacti框架中，從而實(shí)現監測整個(gè)地質(zhì)災害無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的各類(lèi)傳感器、網(wǎng)關(guān)等設備。
3．1 Nagios及插件的安裝
Nagios在ubunm11．04系統上安裝。系統在安裝Nagios之前需要安裝net-snmp、net-snmp-devel、net-snmp-utils、apache2、libapache 2-mod-php5、build-essential、libgd2-xpm-dev等軟件。


3．2 Cacti的安裝
Cacti安裝之前需要安裝pbp5、mysql、rrdtool等，由于nagios集成于Cacti為一體，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，形成了一個(gè)新的地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)系統，在安裝Cacti之前，需要把Nagios的share文件信息整合到這個(gè)新的系統中。


4 地質(zhì)災害預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)監測結果
基于Nagios和Cacti的監測系統主要通過(guò)Nagios插件來(lái)監測所要被監控的對象，由于地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)這整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的傳感器及網(wǎng)關(guān)被移植了SNMP協(xié)議，并定義了新的MIB信息，Nagios監測傳感器及網(wǎng)關(guān)的信息可以通過(guò)check_snmp插件進(jìn)行監控。例如，在編號為201的傳感器中擴充的OID信息1．3．6．1．4．1．8000．201．11．1．1．3．0，即傳感器工作的狀態(tài)信息，如圖4所示。

通過(guò)創(chuàng )建新的配置文件sensor201．cfg，在文件中定義主機和服務(wù)信息。

地質(zhì)災害監測預警無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統通過(guò)配置通過(guò)snmpget采集數據，使用rrdtool繪制圖形，可以任意在其指定的時(shí)間段內畫(huà)圖，并提供強大的數據和用戶(hù)管理功能，通過(guò)對Cacti的配置，創(chuàng )建新的監測對象，通過(guò)輸入對應的OID信息，通過(guò)snmpget獲取數據，產(chǎn)生新的監測圖形。圖5所示是本機的監測信息的展示圖形。

5 結束語(yǔ)
地質(zhì)災害監測預警是我國目前需要大力發(fā)展的一個(gè)課題，利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，通過(guò)Nagios和Cacti的集成網(wǎng)絡(luò )管理，可以有效地監控及時(shí)發(fā)現無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )設備的運行故障，同時(shí)監測人員及時(shí)發(fā)現設備故障，有效地減少了系統管理人員實(shí)地考察的設備和服務(wù)運行狀態(tài)的時(shí)間、人員和財力等方面。Nagios和Cacti的系統在地質(zhì)災害監測預警項目實(shí)際應用中還存在一些不足，如：監測狀態(tài)的顯示，重要信息的選擇等，這需要在以后的工作中系統管理人員進(jìn)行改進(jìn)。