基于Nagios和Cacti平臺的地質災害監測預警無線傳感網網絡管理系統

摘要：無線傳感器網絡是伴隨著微電子、無線通信和嵌入式系統等技術的快速進步而發展的一種新型網絡。它能夠實時監測、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之一。本文針時地質災害環境監測預警需求，通過利用無線傳感器及傳感網技術對山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害環境進行不同斷的高精度數據搜集，設計并實現了一個基于Nagios和Cacti平臺的無線傳感網網絡管理平臺。通過本文開發的監測預警網絡管理平臺，可以有效地獲得監測信息，并通過監測預警機制來減少地質災害頻發地區的人員傷亡和經濟損失。
關鍵詞：無線傳感器；地質災害監測預警；Nagios and Cacti；網絡管理平臺

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種全新的網絡化信息獲取與處理技術，具有動態自組網、無線多跳路由和多路徑數據傳輸功能。無線傳感器網絡是由分布在不同位置的具有數據采集及處理單元、通信模塊的無線傳感器節點構成的網絡，能夠對多個對象實施時間監測、數據采集和控制。無線傳感器網絡可以感知、收集、分析、處理各種信息，包括溫度、濕度、地表信息等，同時結合數據融合技術處理信息，已經在軍事領域、農業、安全監控、環保監測、建筑領域、醫療領域、工業監控、智能交通等領域得到了廣泛的應用。
突發性山體滑坡、崩塌、泥石流是我國最嚴重的幾種地質災害類型，因其發生時間短、隱蔽性強、破壞性大，造成重大人員傷亡和巨大經濟損失。目前為止，國內已經建立的用于監測突發性滑坡、崩塌、泥石流的自然災害的網絡，由于受到復雜的地理條件、技術因素等影響，大多采用人工收集方式，導致出現數據收集不及時，信息覆蓋不足的缺點，難以實時動態監測滑坡泥石流地質災害并提供預警機制。本文通過建立基于Nagios和Cacti平臺的新的地質災害預警無線傳感網絡，進一步提升無線傳感網對自然災害的監測預警能力，提高地質災害監測覆蓋范圍和可靠性，從而減少人員傷亡和經濟損失。

1 智能無線傳感網的網絡管理體系結構
無線傳感器網絡后臺管理軟件一般由3大部分組成，如圖1所示。無線傳感器網絡采集環境數據，并通過傳輸網絡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)對這些數據進行分析、處理、存儲，以得到無線傳感器網絡的相關信息，對無線傳感器網絡的運行和環境狀況進行監測。此外，后臺管理平臺也可以發起任務并通過傳輸網絡告知無線傳感器節點，從而完成特定任務。

整個地質災害無線傳感網絡監測系統為3層的MESH網絡，由無線傳感器網絡層、網關層、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的監測信息，在監測區域布置了采用ZigBee協議的傳感器節點，如雨量計、深部位移計、地表位移裂縫計、孔隙水壓計等，這些傳感器節點與中繼節點通過自組織的方式形成最底層的傳感器監測網絡。網關層為匯聚網關層，使用WiFi進行數據的傳輸，該層包括ZigBee-WiFi網關、WiFi中繼節點、TD—SCDMA網關與大數據量的音視頻傳感器節點、GPS傳感器節點和地聲傳感器節點。遠程監控中心采用TD—SCDMA網絡與地質災害監測中心站進行數據交換。TD—SCDMA網絡具有覆蓋范圍廣、數據傳輸率高的特點。使用TD-SCDMA網絡可以基本滿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和部署成本。

2 地災監測無線傳感網網絡管理系統技術方案
用于監測突發性山體滑坡、崩塌、泥石流的無線傳感網網絡管理平臺選擇基于Nagios和Cacti平臺進行二次開發。Nagios網絡監控系統是基于Linux平臺開發的，采用分布一集中的管理方式，它可以通過代理或無代理的方式監控Windows／Linux服務器、路由器和交換機、網關、傳感器等設備。Nagios服務器本身是沒有監測機制的，它是通過插件來連接被監控的主機，被監控的主機通過Nagios客戶端把自己運行的狀況反饋給監控端服務器，系統管理人員可以通過web界面查看設備的連接狀態，及時了解被監控對象的運行狀態，當被監控對象的監控信息達到了一定的報警閾值時，Nagios也可以通過設定的通信方式(例如手機、短信、郵件等)給管理人員發送報警信息，及時通知管理人員處理報警信息。
Cacti是一套基于開放式互聯網SNMP協議，運用php、mysql、snmp和rrdtool開發的網絡流量監控工具，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、服務器、存儲等等。針對地質災害監測預警無線傳感網絡的需求，在ubuntu11．04平臺下對Nagi os和Cacti進行二次開發，將新研發的插件集成Nagios到Cacti框架，形成新的網絡管理平臺，用于監測預警地質災害的無線傳感網絡。

3 Nagios系統平臺配置過程
基于Nagios和Cacti的地質災害監測預警無線傳感網絡系統是在ubuntu11．04平臺下安裝開發的，充分利用Nagios框架的通信插件，并集成到Cacti框架中，從而實現監測整個地質災害無線傳感網絡的各類傳感器、網關等設備。
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，通過二次開發，形成了一個新的地質災害監測預警無線傳感網系統，在安裝Cacti之前，需要把Nagios的share文件信息整合到這個新的系統中。


4 地質災害預警無線傳感網監測結果
基于Nagios和Cacti的監測系統主要通過Nagios插件來監測所要被監控的對象，由于地質災害監測預警無線傳感網這整個網絡的傳感器及網關被移植了SNMP協議，并定義了新的MIB信息，Nagios監測傳感器及網關的信息可以通過check_snmp插件進行監控。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信息，如圖4所示。

通過創建新的配置文件sensor201．cfg，在文件中定義主機和服務信息。

地質災害監測預警無線傳感網絡系統通過配置通過snmpget采集數據，使用rrdtool繪制圖形，可以任意在其指定的時間段內畫圖，并提供強大的數據和用戶管理功能，通過對Cacti的配置，創建新的監測對象，通過輸入對應的OID信息，通過snmpget獲取數據，產生新的監測圖形。圖5所示是本機的監測信息的展示圖形。

5 結束語
地質災害監測預警是我國目前需要大力發展的一個課題，利用無線傳感網絡技術，通過Nagios和Cacti的集成網絡管理，可以有效地監控及時發現無線傳感網網絡設備的運行故障，同時監測人員及時發現設備故障，有效地減少了系統管理人員實地考察的設備和服務運行狀態的時間、人員和財力等方面。Nagios和Cacti的系統在地質災害監測預警項目實際應用中還存在一些不足，如：監測狀態的顯示，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行改進。