基于Nagios和Cacti平台的地质灾害监测预警无线传感网网络管理系统

摘要：无线传感器网络是伴随着微电子、无线通信和嵌入式系统等技术的快速进步而发展的一种新型网络。它能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息，是新兴前沿科技研究热点之一。本文针时地质灾害环境监测预警需求，通过利用无线传感器及传感网技术对山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害环境进行不同断的高精度数据搜集，设计并实现了一个基于Nagios和Cacti平台的无线传感网网络管理平台。通过本文开发的监测预警网络管理平台，可以有效地获得监测信息，并通过监测预警机制来减少地质灾害频发地区的人员伤亡和经济损失。
关键词：无线传感器；地质灾害监测预警；Nagios and Cacti；网络管理平台

    无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种全新的网络化信息获取与处理技术，具有动态自组网、无线多跳路由和多路径数据传输功能。无线传感器网络是由分布在不同位置的具有数据采集及处理单元、通信模块的无线传感器节点构成的网络，能够对多个对象实施时间监测、数据采集和控制。无线传感器网络可以感知、收集、分析、处理各种信息，包括温度、湿度、地表信息等，同时结合数据融合技术处理信息，已经在军事领域、农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗领域、工业监控、智能交通等领域得到了广泛的应用。
    突发性山体滑坡、崩塌、泥石流是我国最严重的几种地质灾害类型，因其发生时间短、隐蔽性强、破坏性大，造成重大人员伤亡和巨大经济损失。目前为止，国内已经建立的用于监测突发性滑坡、崩塌、泥石流的自然灾害的网络，由于受到复杂的地理条件、技术因素等影响，大多采用人工收集方式，导致出现数据收集不及时，信息覆盖不足的缺点，难以实时动态监测滑坡泥石流地质灾害并提供预警机制。本文通过建立基于Nagios和Cacti平台的新的地质灾害预警无线传感网络，进一步提升无线传感网对自然灾害的监测预警能力，提高地质灾害监测覆盖范围和可靠性，从而减少人员伤亡和经济损失。

1 智能无线传感网的网络管理体系结构
    无线传感器网络后台管理软件一般由3大部分组成，如图1所示。无线传感器网络采集环境数据，并通过传输网络将数据传输到后台管理平台(远程应用)，后台管理平台(远程应用)对这些数据进行分析、处理、存储，以得到无线传感器网络的相关信息，对无线传感器网络的运行和环境状况进行监测。此外，后台管理平台也可以发起任务并通过传输网络告知无线传感器节点，从而完成特定任务。

    整个地质灾害无线传感网络监测系统为3层的MESH网络，由无线传感器网络层、网关层、以及TD—SCDMA和远程监控中心层(如图2所示)。为了能够得到有效及时的监测信息，在监测区域布置了采用ZigBee协议的传感器节点，如雨量计、深部位移计、地表位移裂缝计、孔隙水压计等，这些传感器节点与中继节点通过自组织的方式形成最底层的传感器监测网络。网关层为汇聚网关层，使用WiFi进行数据的传输，该层包括ZigBee-WiFi网关、WiFi中继节点、TD—SCDMA网关与大数据量的音视频传感器节点、GPS传感器节点和地声传感器节点。远程监控中心采用TD—SCDMA网络与地质灾害监测中心站进行数据交换。TD—SCDMA网络具有覆盖范围广、数据传输率高的特点。使用TD-SCDMA网络可以基本满足当前的监测传感器与多媒体数据的传输需求，并可以大大降低研发和部署成本。

2 地灾监测无线传感网网络管理系统技术方案
    用于监测突发性山体滑坡、崩塌、泥石流的无线传感网网络管理平台选择基于Nagios和Cacti平台进行二次开发。Nagios网络监控系统是基于Linux平台开发的，采用分布一集中的管理方式，它可以通过代理或无代理的方式监控Windows／Linux服务器、路由器和交换机、网关、传感器等设备。Nagios服务器本身是没有监测机制的，它是通过插件来连接被监控的主机，被监控的主机通过Nagios客户端把自己运行的状况反馈给监控端服务器，系统管理人员可以通过web界面查看设备的连接状态，及时了解被监控对象的运行状态，当被监控对象的监控信息达到了一定的报警阈值时，Nagios也可以通过设定的通信方式(例如手机、短信、邮件等)给管理人员发送报警信息，及时通知管理人员处理报警信息。
    Cacti是一套基于开放式互联网SNMP协议，运用php、mysql、snmp和rrdtool开发的网络流量监控工具，可生成对物理设备CPU、内存、端口流量的监控图，还可以通过自定义生成丰富的图表，如防火墙的连接数、VPN连接数、设备环境温度、UPS电压变化等等。Cacti有丰富的插件库，可以支持路由器、交换机、防火墙、服务器、存储等等。针对地质灾害监测预警无线传感网络的需求，在ubuntu11．04平台下对Nagi os和Cacti进行二次开发，将新研发的插件集成Nagios到Cacti框架，形成新的网络管理平台，用于监测预警地质灾害的无线传感网络。

3 Nagios系统平台配置过程
    基于Nagios和Cacti的地质灾害监测预警无线传感网络系统是在ubuntu11．04平台下安装开发的，充分利用Nagios框架的通信插件，并集成到Cacti框架中，从而实现监测整个地质灾害无线传感网络的各类传感器、网关等设备。
3．1 Nagios及插件的安装
    Nagios在ubunm11．04系统上安装。系统在安装Nagios之前需要安装net-snmp、net-snmp-devel、net-snmp-utils、apache2、libapache 2-mod-php5、build-essential、libgd2-xpm-dev等软件。
   

3．2 Cacti的安装
    Cacti安装之前需要安装pbp5、mysql、rrdtool等，由于nagios集成于Cacti为一体，通过二次开发，形成了一个新的地质灾害监测预警无线传感网系统，在安装Cacti之前，需要把Nagios的share文件信息整合到这个新的系统中。


4 地质灾害预警无线传感网监测结果
    基于Nagios和Cacti的监测系统主要通过Nagios插件来监测所要被监控的对象，由于地质灾害监测预警无线传感网这整个网络的传感器及网关被移植了SNMP协议，并定义了新的MIB信息，Nagios监测传感器及网关的信息可以通过check_snmp插件进行监控。例如，在编号为201的传感器中扩充的OID信息1．3．6．1．4．1．8000．201．11．1．1．3．0，即传感器工作的状态信息，如图4所示。

    通过创建新的配置文件sensor201．cfg，在文件中定义主机和服务信息。

    地质灾害监测预警无线传感网络系统通过配置通过snmpget采集数据，使用rrdtool绘制图形，可以任意在其指定的时间段内画图，并提供强大的数据和用户管理功能，通过对Cacti的配置，创建新的监测对象，通过输入对应的OID信息，通过snmpget获取数据，产生新的监测图形。图5所示是本机的监测信息的展示图形。

5 结束语
    地质灾害监测预警是我国目前需要大力发展的一个课题，利用无线传感网络技术，通过Nagios和Cacti的集成网络管理，可以有效地监控及时发现无线传感网网络设备的运行故障，同时监测人员及时发现设备故障，有效地减少了系统管理人员实地考察的设备和服务运行状态的时间、人员和财力等方面。Nagios和Cacti的系统在地质灾害监测预警项目实际应用中还存在一些不足，如：监测状态的显示，重要信息的选择等，这需要在以后的工作中系统管理人员进行改进。