Seminarski - Upotreba Senzorskih Mreža Za Praćenje Stanja Voda

UNIVERZITET U NOVOM SADU

FAKULTET TEHNIKIH NAUKA

Upotreba senzorskih mrea za praenje stanja voda

(WaterML, Observation and Measurements, SOS)

Student:

eljko Bugarinovi, O1 29

Novi Sad, 2014

eljko Bugarinovi O1 29 |

Geoprostorne Baze Podataka 2014

-2 -

SADRAJ

1. Uvod ................................................................................................................................................ 3

2. Uopteno o vodama ........................................................................................................................ 4

2.1 Opis znaaja i znaenja pojedinih parametara ............................................................................. 5

3. Senzori i senzorske mree ............................................................................................................... 6

3.1 Beine senzorske mree ............................................................................................................. 6

4. OGC Specifikacije ............................................................................................................................ 9

4.1 WaterML .................................................................................................................................... 10

4.2 Observation and Measurements ............................................................................................... 11

4.3 SOS ............................................................................................................................................. 11

5. Rezultati i distribucija podataka .................................................................................................... 13

6. GPRS U FUNKCIJI PRAENJA VODOSTAJA NA RIJEKAMA .............................................................. 14

7. Praenje stanja voda u Srbiji ......................................................................................................... 16

7.1 Koncept automatske stanice za utvrivanje stanja voda ........................................................... 17

7.2 Hidroloki sistem WISKI .............................................................................................................. 18

7.3 Pravovremeno upozorenje od poplava ....................................................................................... 20

8. ZAKLJUAK ........................................................................................................................................ 21



-3 -

1. Uvod

Modeliranje hidrosistema nalazi se u samoj osnovi savremenog upravljanja vodnim

resursima. Prvi modeli bili su namjenjeni za predvianje velikih voda (1850) i analizu

zapremine rezervoara (1883). Vremenom su se razvili novi analitiki i numeriki modeli, a

najvei napredak postignut je nakon pojave raunara. U skladu s tim dananji razvoj

modeliranja i simulacije u hidrotehnici prije samo 50 godina bio je nezamisliv.

U ovom radu obraene su senzorske mree za praenje voda, s naglaskom na beini

prenos podataka. Beina senzorska mrea (Wireless Sensor Network - WSN) je skup velikog

broja prostorno rasporeenih senzora koji imaju sposobnost samoorganizacije. Ove mree su

jo uvijek tehnologija u razvoju, sa brojnim potencijalnim primenama kao to su:

nadgledanje okoline, medicinski sistemi, vojne primjene, graevinarstvo, geodezija i slino.

Sr sistema za podrku odluivanja je kompleksan simulacioni model itavog sliva,

koji pokriva veliki broj procesa i dozvoljava jednostavno proirenje u smislu pokrivanja svih

pojava koje su relevantne za upravljanje slivom.

Ovaj rad baziran je prvenstveno na mogunosti i kvalitetu upotrebe beine senzorske

mree za praenje stanja voda, s naglaskom na odreivanje nivoa vode. Ukazano je na

probleme koji se mogu javiti pri ovakvoj realizaciji, kao i prednosti ovakve realizacije pri

formiranju vie beinih senzorskih mrea.

Kljune rijei: senzorska mrea, Observation and Meassurements, WaterML, SOS, GPRS,

baza podataka



-4 -

2. Uopteno o vodama

Kao najvitalniji resurs voda se mora tretirati kao dobro od opteg interesa i mora se

koristiti racionalno, vienamjenski i viekratno, na bazi saglasnosti dozvola za korienje i uz

neprekidan drutveni nadzor [9]. Nauka o vodi-HIDROLOGIJA: bavi se definisanjem,

odnosno, procjenom koliina vode na odreenom podruju kao i njihov vremenski i

prostorni raspored .

Kada se govori o vodostaju kao jednom osnovnom parametru vode, on predstavlja

razliku u vertikalnom smislu izmeu nivoa vode i nekog fiksnog (nultog) poloaja.

Vodomjerna letva predstavlja najjednostavniji ureaj za mjerenje nivoa vode. Mjerenje se

vri jednostavnim oitavanjem vrijednosti nivoa vode na letvi sa centimetarskom podjelom,

a sama tanost itanja se kree od 1 4 cm [3]. Meutim ovakav nain i nije tako praktian,

s obzirom da se oitavanja na mjernim letvama vre svakodnevno. Takoe, i uticaj

tehnologije zahtijeva novija rjeenja koja e dati bre i efikasnije rezultate, kao i bolji i

jednostavniji uvid u pojedine parametre za neki vremenski period. Osmatranje vodostaja

moe da se vri na vie naina [2]:

pojedinanim oitavanjem,

kontinualnim osmatranjem,

sistemom automatskog prenosa podataka.

Ovaj rad prevenstveno se oslanja na sisteme automatskog prenosa podataka, putem

beinog prenosa signala, koji u raznim oblastima ima veliku ulogu.

Nivo vode na rijekama, jezerima i akumulacijama se mjeri za potrebe [1]:

PLOVIDBE,

PRAENJA I IZUAVANJA REIMA VODOSTAJA,

PROJEKTOVANJA I IZGRADNJE RAZNIH HIDROTEHNIKIH RADOVA,

o Pristanita

o Regulacija

o Mostova

o Zahvatanja vode i dr.

Pri vrenju hidrometrijskih radova (merenja dubina, brzina vode).

Slika 1. Limnigraf - Automatski registrator vodostaja.



-5 -

2.1 Opis znaaja i znaenja pojedinih parametara

Temperatura vode je krucijalni faktor koji utie na mnoge prirodne procese koji se

odigravaju u vodenim resursima. ivotna sposobnost kao i aktivnost organizama u vodi

zavise od temperaturnih granica i idealnih temperaturnih uslova. Takoe, bioloki, hemijski i

fiziki procesi u vodi zavise od temperature. Za mjerenje temperature, po pravilu, nije

potreban poseban senzor jer je on obino integrisan sa kiseoninom elektrodom, pH

elektrodom ili elektrodom za provodljivost.

Sadraj kiseonika u vodi je jedan od najvanijih parametara za procenjivanje

kvaliteta vode. Vrijednost kritina po ribe je minimalna koncentracija od 3 [mg/l O2] [5].

Ako sadraj kiseonika padne ispod ove vrijednosti , osjetljiva riba i/ili riba u razvoju moe

pretrpiti oteenja. Do smanjenja vrijednosti kiseonika moe doi i usljed prirodnog unosa

organskih supstanci kao to je lie, ispiranje zemljita ili usljed jakih kia.

Specifina provodljivost i konduktansa su parametri koji ukazuju na sposobnost

vodenog rastvora da provodi elektricitet. Specifina provodljivost je vaan sumarni

parametar za rastvorene supstance (elektroliti, primarno rastvorene soli) i zato je pogodan

za testove kojima se odreuju promjene u koncentracijama jona tokom vremena.

pH vrednost je negativni logaritam koncentracije oksonijum jona (H3O+). Na pH

vrednost utiu egzogeni faktori od unosa kisele i alkalne otpadne vode. Ukoliko pH

vrijednost pree preko vrijednosti 10, moe ak da izazove i smrt riba u vodi.

Mutnoa predstavlja smanjenje prozranosti neke tenosti prouzrokovana

prisustvom nerastvornih supstanci . Mnogi faktori izazivaju zamuenje koje se registruje na

mjernim stanicama. Na mjerenja takodje utiu i strukturne mjere kao to je iskopavanje

zemlje ili veliki brodovi kada se sediment uzvitla. Na poveanje mutnoe mogu da utiu i

obilne kie i spiranje zemljita.



-6 -

3. Senzori i senzorske mree

Senzori se koriste za povezivanje fizikog i digitalnog svijeta. Slue za detekciju fizike

pojave i prevode je u digitalni oblik, koji moe da se obrauje, uva u nekoj bazi podataka i

kasnije koristi u raznim analizama. Grubo, senzore je mogue podeliti na senzore bez

mogunosti komunikacije (Slika 2, a) i one koji mogu da komuniciraju [16]. Kada se govori o

senzorima bez mogunosti komunikacije mogli bi biti primjer senzori za praenje seizmikih

aktivnosti, koji se posle nekog vremena skupljaju i iz njih se oitavaju registrovani podaci. U

mnogim primjenama postoji mogunost komunikacije izmeu senzora. U ovu grupu senzora

spadaju senzori koji komuniciraju posredstvom iane mree (Slika 2, b) (meteoroloke

stanice koje periodino alju svoje izvetaje centralnoj stanici), i beine komunikacije (Slika

2, c). Mana ianog pristupa je visoka cijena komunikacione infrastrukture i postavljanja

senzora kao i nefleksibilnost.

Slika 2 (a) Senzori sa lokalnom memorijom (b) Senzori saianom mreom (c) Beini senzori

3.1 Beine senzorske mree

Beina Senzorska Mrea (BSM,eng. Wireless Sensor Network-WSM) je distribuirani

sistem koga ini polje senzora razliitog tipa meusobno povezanih beinom

komunikacionom mreom. Zadatak distributivnog sistema jeste da na osnovu dostupnih

podataka sa senzora izdvoji najverovatniju informaciju o fenomenu koji se nadgleda. Beine

senzorske mree su jeftine i jednostavne za postavljanje, jer sami vorovi uspostavljaju

komunikacionu infrastrukturu. Zbog male veliine senzorski vorovi ne vre veliki uticaj na

objekat ili pojavu posmatranja, a pored toga mogu da budu postavljeni sa veom gustinom,

ime daju preciznije i detaljnije podatke. Kada se govori o nivou voda nije od sutinske

vanosti da mrea bude previe gusta, jer se senzori koriste obino kod veih rijeka kod kojih

nivo vode nema veliku denivelaciju na kraim rastojanjima.

Za potpuno razumijevanje problema koji se odnosi na kreiranje beinih senzorskih

mrea, potrebno je prvo sagledati zahtjeve i karakteristike konkretnih primjena. Najei

zahtjevi su sledei [18]:

ivotni vijek. U praksi servisiranje i odravanje senzorskih vorova je fiziki

neizvodljivo ili nepraktino zbog velikih prateih trokova. To znai da moraju da



-7 -

ispunjavanju odreene zahteve u pogledu trajanju baterije, da bi obezbjedili eljeni

ivotni vijek mrei. Glavni cilj u njihovom projektovanju jeste da se maksimalno

produi ivotni vijek dok su ostale performanse obino u drugom planu.

Komunikacioni domet. Komunikacioni domet je ogranien na nekoliko desetina do

najvie nekoliko stotina metara. U zavisnosti od povrine koju mrea obuhvata,

mogue je da svi vorovi neposredno komuniciraju, kako meu sobom tako i sa

centralnom jedinicom. Ukoliko to nije sluaj, vorovi moraju da se organizuju tako da

omogue multihop komunikaciju. Sa ovim problemom je povezana i gustina vorova,

koja moe da stvori dodatne probleme zbog kolizija i slino.

Pokretljivost vorova. Rasporeivanje senzorskih vorova u fizikom prostoru moe

imati nekoliko formi. vorovi mogu biti rasporeivani sluajnim razbacivanjem ili

instalirani na unapred odreenim mjestima. Takodje, mogue je zbog potreba

dodavati senzorske vorove tokom korienja mree (npr. da se pobolja pokrivenost

prostora). Pored toga, senzorski vorovi mogu promjeniti lokaciju posle inicijalnog

postavljanja i korienja. Pomjeranje moe biti rezultat uticaja okoline kao to su

vjetar i voda, senzorski vorovi mogu biti postavljeni na mobilne entitete (iva bia ili

ureaje), a i sami senzorski vorovi mogu biti mobilni. Njihova pokretljivost zahteva

upotrebu specifinih komunikacionih protokola.

Samoorganizacija. Ova osobina predstavlja sposobnost mree da se prilagodi na

promjene u topologiji koje mogu nastati zbog otkaza pojedinih vorova, dodavanja

novih, mobilnosti ili gubitka sinhronizma u radu susjednih vorova. Preduslov za

samoorganizaciju je mogunost da otkrivaju nove vorove u svojoj okolini i detektuju

one koji su otkazali.

Prikupljanje podataka. Jedan od osnovnih zadataka beine senzorske mree je da

obezbedi prikupljanje podataka od svih vorova centralnoj stanici. U nekim

primjenama podaci se prikupljaju veoma esto, dok u nekim ree (periodino) ili

samo po potrebi. Ovo utie na projektovanje mree, jer vorovi koji imaju malu

memoriju moraju brzo da se oslobode podataka, to znai da drugi vorovi moraju

da budu sposobni da te podatke prime i proslijede dalje ka centralnoj stanici. U

nekim primjenama tolerie se veliko kanjenje u dostavljanju podataka, dok je u

drugim od presudne vanosti isporuka u realnom vremenu.

Jedna od vanijih osobina ovakvih vrsta sistema je brzina prenosa podataka koju

odreuje nosea frekvencija. Tipine vrijednosti brzine prenosa su reda desetina kilobita u

sekundi, to je sasvim dovoljno za upotrebu u beinim senzorskim mreama [11]. Za

praenje nivoa voda brzina prikupljanja podataka nije od suinske vanosti, bitnija

karakteristika jeste periodino prikupljanje podataka u eljenim vremenskim trenucima.

U cilju racionalnog korienja raspoloive energije, primopredajnici u beinim

senzorskim mreama prelaze u reim smanjene potronje na to je dui mogui vremenski

period, a vraaju se u aktivni reim samo u kratkim vremenskim intervalima kada treba da

izvre akviziciju podataka. Proactive Networks vorovi u mrei periodino ukljuuju senzore,



-8 -

izmjere veliinu od okruenja, i predaju podatke koji su od interesa. Reactive Networks su

mree kod kojih su vorovi sve vrijeme budni i trenutno reaguju na nagle promjene u mrei.

Ovi tipovi vorova su pogodni za aplikacije sistema koji rade u realnom vremenu.

Iako su propusna mo i kanjenje u beinoj senzorskoj mrei od sekundarnog znaaja,

postoje brojne primjene u kojima je potrebno, bar u dijelu vremena, obezbjediti poveanu

propusnu mo. Primjeri takvih primjena su detekcija dogaaja ili praenje ciljeva gdje dolazi

do naglih promjena poput intenziteta saobraaja ili kad je cilj koji se prati pokretan. Jedan

od naina za poveanje propusne moi i smanjenje kanjenja uz neznatno poveanje

potronje energije sastoji se u tome da se za komunikaciju izmeu vorova u beinoj

senzorskoj mrei obezbjedi vie frekventnih kanala [16].

Slika 3. Komunikaciona arhitektura beine Slika 4. Multi-point arhitektura.

senzorske mree.

Na slici 3 prikazana je osnovna komunikaciona arhitektura beine senzorske mree.

Podaci sa mjernih stanica se alju na server, gdje se prihvataju i skladite, a sa servera

omoguavaju pristup korisniku. U skladu sa navedenim, sistem daljinskog oitavanja nivoa

voda na vie mjernih stanica sastoji se od tri glavne komponente podsistema: senzora,

podsistema na serveru i podsistema na klijentu. Rad sa master stanicom prikazan je kao

jedan od moguih naina komunikacije i prenosa podataka izmeu senzora (Slika 4). Ovakva

konfiguracija je kompleksnija, ali sprjeava sukob izmeu dve stanice koje ele da alju

podatke istovremeno.

Za samog korisnika najvaniji dio predstavlja aplikacioni sloj koji na jednostavan nain daje

uvid i preglednost eljenih analiza. Obino je obogaen i odreenim grafikim prikazima.

Osnovne karakteristike beinih senzorskih mrea su [10]:

visoka pouzdanost u radu,

relativno visoka tanost,

fleksibilnost,

niska cijena,

lako rasporeivanje senzora u prostoru.



-9 -

4. OGC Specifikacije

U ovom radu osloniemo se na neke SWE (Sensor Web Enablement) standarde koji

daju informaciju o poziciji i uvid u odreena mjerenja preko interneta. SWE aktivnosti treba

da obezbjede interfejs i protokol koji omoguava rad Web senzora kroz koje su aplikacije i

servisi dostupni senzorima svih tipova i obezbjede standardizovan pristup mjerenim

podacima sa senzora kao i opisima senzora.

Sensor Web Enablement (SWE) Inicijativa predstavlja skup standarda i specifikacija

implementiranih od strane Open Geospatial Consortium-a (OGC). Osnovna ideja Sensor Web

koncepta jeste da svi senzori prijavljuju svoju poziciju i da su povezani sa internetom. Pored

toga neophodno je obezbjediti da se podaci mogu oitavati sa udaljenosti, da imaju

registrovane metapodatke i da se nekima moe i upravljati sa udaljenosti [12].

Funkcionalnost koju OGC eli da postigne preko Senzor Web specifikacije se ogleda u

sledeim radnjama [13]:

Pronalaenje senzorskih sistema, mjerenja i procesa koji ispunjavaju nae potrebe,

Odreivanje sposobnosti senzora i kvaliteta mjerenja,

Pristup parametrima senzora koji automatski omoguavaju softveru da obradi i locira

mjerenja,

Preuzimanje mjerenja u realnom vremenu ili u vremenskim serijama i standardno

zapisivanje i snimanje tih podatka.

Servis koji omoguava ove potrebe detaljno je opisan kroz OGC SOS specifikaciju [6].

SWE standard koji su formirali lanovi OGC organizacije sadri sledee Open GIS

Specifikacije [14]:

1. Sensor Model Language (SensorML) - Predstavlja standardni model (XML ema) za

opisivanje naina funkcionisanja senzora i procesa prikupljanja podataka. Sadri i opte

modele za reprezentaciju podataka za SWE naine zapisivanja i interfejs standarde. Takoe,

prua neophodne informacije za otkrivanje, georeferenciranje i obradu podataka, kao i

zadavanje razliitih radnji senzorima.

2. Observations & Measurements (O&M) - Opti model u vidu XML zapisa za posmatranja i

mjerenja izvrena nekom vrstom senzora.

3. Transducer Model Language (TML) - Konceptualni prilaz i XML zapisivanje koje podrava

podatke u realnom vremenu i zadavanje radnji koje senzor sebi zadaje.

4. Sensor Observation Service (SOS) - Otvoreni interfejs koji omoguuje da klijent dobije

mjerenja, podatke sa senzora i sa platforme za jedan ili vie senzora.

5. Sensor Planning Service (SPS) - Otvoreni interfejs koji klijentima omoguava utvrivanje

izvodljivosti prikupljanja podataka sa jednog ili vie senzora ili modela kao i pregledanje

zahtjeva senzora i konfigurisanih procesa.



-10 -

6. Sensor Alert Service (SAS) - Otvoreni interfejs Web servisa za objavljivanje i za dobijanje

upozorenja i obavjetenja sa senzora i simulacionih sistema.

7. Web Notification Service (WNS) - Otvoreni interfejs za servise kod kojih klijent moe da

sprovodi asinhrone dijaloge (petlje poruka) sa jednim ili vie servisa. I sama infrastruktura

Sensor Web standarda je definisana ovim specifikacijama koja ini revolucionarno otkrie, za

procjenu i kontrolu izvora ivih podataka i arhiviranje senzorskih podataka.

Koristei SWE sistem omogueno je:

Do 10 mjerenja u sekundi,

Prikaz rezultata mjerenja u blisko realnom vremenu,

Obezbjeena je milimetarska tanost,

Slanje rezultata na server preko UDP protokola,

uvanje podataka u bazi podataka,

Pristup preko razliitih korisnikih interfejsa,

Podrka za OGC SOS servis na serveru.

4.1 WaterML

WaterML predstavlja standardni model informacija za posmatranje podataka o

vodama, s namjerom da se dozvole razmjene takvih podataka preko informacionih sistema

[6]. Implementiran je kao aplikaciona ema prema GML pravilima, a zasniva se na

zapaanjima i mjerenjima (Observation and Meassurements). Za cilj ima osnivanje jednog

interoperabilnog formata razmjene koji se moe koristiti za rjeavanje niza hidrolokih

zahtjeva, pri emu se oslanja na posojee OGC standarde. Jezgro i sadraj ovog modela

opisani su kroz precizan opis hidrolokih vremenskih serija. WaterML prilagoava

observation i meassurements specifikacije na konkretne hidroloke zahtjeve.

Osnovni element WaterML dokumenta sainjen je iz sledeih elemenata:

Kolekcija koja ima jedan ili vie WaterML mjerenih elemenata. Ovi lanovi ukljuuju

informacije o mjerenju i lokaciji, kao i odreene parametre, procese i rezultat.

Metapodaci ukljuuju lokaciju, informacije o vremenu prikupljanja podataka, kao i

datum mjerenja i tip monitoringa. Postoji mogunost i dodavanja novih segmenata

definisanih od strane korisnika, a podaci se obino uvaju u vremenskim serijama i skladite

u odgovarajue elemente. U skladu sa tim i metapodaci su podijeljeni na odgovarajue

vremenske serije. Ovo ukljuuje kvalitet uvanja svakog od segmenta podataka pojedinano,

a kao krajnji dio rezultata dobija se spisak vrijednosti po redoslijedu vremenskih serija.



-11 -

4.2 Observation and Measurements

U skladu sa OGC specifikacijom Observation and Measurements predstavlja opti

model i XML zapisivanje posmatranja i mjerenja izvrena nekim senzorom.

Observation and measurements predstavljaju dve osnovne forme dobijenih rezultata. Prva

forma korisna je kada se radi sa malim koliinama heterogenih podataka, dok je druga

pogodnija za rad sa dugotrajnim serijama. Za praenje vodostaja vie odgovara prikaz

rezultata u formi posmatranja Observation.

Kada se govori o samim potrebama korisnika ovih informacija one se mogu definisati kroz tri

osnovna zahtjeva:

prikaz dostupnih senzora,

prikaz informacija o konkretnom senzoru (metapodaci) i

prikaz rezultata za odreenu vremensku epohu.

Moe se koristiti za jednostavniji razvoj i posmatranje, kao i konektovanje na bazu podataka,

za analiziranje i grafiko predstavljanje senzorskih oitavanja.

4.3 SOS

SOS predstavlja jedan dio porodice OGC standarda koje ine OGC SWE framework.

Definie web servis interfejs koji omoguuje pregled podataka koji se zapaaju senzorom,

kao i metapodatke o samom senzoru. Takoe, ukljuuje mogunost da se registruju novi

senzori kao i uklanjanje nekih od postojeih. Pored toga postoji mogunost definisanja

novih operacija koje e vriti dodatna zapaanja.

Razvojem SOS-a je definisan Web servis interfejs za otkrivanje i pronalaenje mjerenja u

realnom vremenu ili sauvanih mjerenja. Daljom nadogradnjom ovog modela i korienjem

drugih specifikacija mogue je formiranje modela koji utvruje kada dolazi do kritinih

promjena i spreavanja katastrofalnih posledica (poput poplava). Sastavni elementi ovakvog

sistema su server, klijenti i jedna ili vie mjernih stanica. Kada se govori o mjernoj stanici ona

se sastoji od senzora, kompjuterske i komunikacione jedinice.

SOS zahteva definisanje najmanje tri obavezne operacije [15]:

GetCapabilities- informacije o dostupnim senzorima,

DescribeSensor- informacije o konkretnom senzoru,

GetObservation- rezultati merenja.

GetCapabilities - omoguava klijentima da preuzmu metapodatke o odreenoj instanci

servisa. U ovoj XML emi zapisa, nema request parametara, ve ime elementa specificira

posebnu operaciju. Ovaj tip baze podataka trebao bi da bude dopunjen sa svakim posebnim

servisom tako da obuhvati dodatne zahtjeve atributa servisa sa tanim vrijednostima.

DescribeSensor - predstavlja metod dobijanja metapodataka koji opisuju karakteristike

jednog ili vie senzora. Preuzimanje ovih informacija vri se iz kataloga. Zbog velike koliine



-12 -

metapodataka, SOS je specificirao opisne operacije koje podravaju visok nivo detalja.

Detalji koji se nalaze u katalogu mogu da sadre informacije o tipovima posmatranja,

lokacijama i kontakt informacijama.

Operacija GetObservation dizajnirana je za upit senzorskih sistema i slui za dobijanje

posmatranih podataka definisanih u specifikaciji O&M. Nakon dobijanja GetObservation

zahteva SOS ima dve opcije: uslovi kada zadovolji zahtev ili vraa izvetaj sa izuzecima.

Pored prethodno nabrojana tri osnovna zahteva SOS predvia jo neke, kao to su [17]:

o Transakcione operacije (InsertSenzor, DeleteSenzor, InsertObservation),

o Proirene operacije (GetObservationByID, GetFeatureOfInterest),

o Operacije za rad sa rezultatima (InsertResult, InsertResutlTemplate, GetResult..).

Razvoj efikasnih sistema za nadziranje kritinih oblasti i pravovremeno reagovanje na

unaprijed definisane kritine dogaaje omoguilo je direktno osmatranje razliitih fenomena

(u razliitim geografskim regionima) i pristup prikupljenim vrijednostima sa senzora i

ureaja. U ovom sistemu, senzori koji predstavljaju izvor podataka moraju biti opremljeni

adekvatnom opremom koja e im omoguiti slanje oitanih podataka do sistema za obradu.

Za razvoj ovakvih sistema kljunu ulogu imaju Web tehnologije, a posebno tehnologije Web

servisa.

Glavni cilj OGC specifikacije SOS standarda jeste da obezbjedi pristup opaanjima i

samom sistemu senzora na nain koji je isti za sve senzore. Ovaj standard definie interfejs

Web servisa za upite nad podacima, senzorskim metapodacima, kao i predstavljanje

posmatranih objekata. Pored toga definie kako se registruju novi senzori i uklanjaju drugi,

ubacivanje novih operacija i definisanja funkcionalnosti vezivanja na nezavisan nain i SOS

interfejs [19]. Postojanje standarda pomae pri razmjeni informacija izmeu pojedinih

drava koje dijele neke resurse kao to su rijeke.

Prednosti SOS servisa ogledaju se u sledeem [20]:

o Ne zavisi od platforme (bazirana na Javi),

o Softver otvorenog koda koji je jednostavan i moe se ponovo koristiti,

o SOS implementacija je stabilna i kompletna.

Nedostaci:

o Nema apstrakcije podataka; jedini izvor podataka je relaciona baza podataka

specifine strukture,

o Kompleksan aplikacioni model (Java Web aplikacija),

o Struktura baze podataka nije optimalna (stringovi kao primarni kljuevi, fale indeksi).



-13 -

5. Rezultati i distribucija podataka

Rezultati se dobijaju na osnovu senzorskih mjerenja koja se smjetaju u odgovarajue

tabele u bazu podataka. Podaci su prikupljani putem senzora i alju se na server gdje se

skladite. Putem korisnikog interfejsa omoguen je pristup snimljenim podacima. U cilju to

bolje predstave dobijenih rezultata mjerenja, kao to su vrijednosti nivoa vode u razliitim

vremenskim trenucima mogu se formirati razliiti grafikoni i dijagrami. Time se stie bolji

uvid i mogue je vriti razne analize i simulacije koje su od krucijalnog znaaja za pojedine

oblasti. Neke od tih analiza mogle bi biti stvaranje baffer zone za odreeni nivo vode. Na taj

nain mogue je uoiti najkritinija mjesta, poput naselja te pravovremeno reagovati kako bi

se eventualne tete svele na minimum. Ovdje se prvenstveno misli na odbranu od

nadolazeih velikih voda.

Slika 5. Tri osnovna dijela za razvijanje senzorskog mreznog sistema.

Podatke pristigle iz senzorske mree neophodno je posredstvom interneta

prosleivati na odrenenu TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ili UDP/IP

(User Datagram Protocol/Internet Protocol) adresu kako bi se oni mogli itati i smijetati u

bazu podataka sa bilo koje udaljene lokacije. Osnovna arhitektura ovakvog sistema

prikazana je na Slici 5. Na ovaj nain omogueno je povezivanje senzora koji se ne nalaze na

bliskim rastojanjima, to je od posebnog znaaja imajui u vidu da se senzori na rijekama

obino postavljaju na neto veim rastojanjima. Sa ove adrese podaci se dalje obrauju da bi

se dobile razumljive vrednosti koje e biti smjetene u bazu podataka i dalje po potrebi

obraivane.



-14 -

6. GPRS U FUNKCIJI PRAENJA VODOSTAJA NA RIJEKAMA

Uvoenjem GPRS sistema u postojeu infrastrukturu mobilne telefonske mree

operatori pruaju svojim korisnicima veoma efikasan pristup spoljnim mreama baziranim

na IP protokolu. Vie korisnika moe da dijeli iste resurse na interfejsu s obzirom da se

resursi dodeljuju samo u trenucima slanja i prijema podataka. Operatori tarifiraju svoje

pretplatnike na bazi prenesene koliine podataka. Ovakav nain dodeljivanja i korienja

resursa omoguava pogodnost konstantnog "on line" pristupa mrei. Prenos podataka

(e_mail, file transfer, Web browsing, WAP) je mnogo efikasniji, s obzirom da vie korisnika

moe istovremeno da koristi iste resurse [7]. Ovdje se ne koristi klasina tehnologija, s

obzirom na to da su krajnje take GPRS protokola namenjene za prenos podataka u mobilnoj

telefoniji, odreene mrenim adresama, a ne telefonskim brojevima.

Upotreba GPRS protokola u GSM mrei mobilne telefonije unosi odreene

specifinosti i ogranienja. Paketni prenos podataka znai da korisnici ne moraju da za

prenos podataka koriste ugraene modeme koji su se do sada koristili, ve GPRS mobilni

aparat moe "u hodu" primati i slati pakete sa informacijama, sve dok se nalazi u dometu

GPRS signala.

Maksimalna brzina prenosa podataka GPRS teorijski iznosi preko 140 [kb/s].

Meutim, da bi se ona praktino ostvarila, potrebno je da se obustavi osnovna usluga, a to

je mobilna telefonija (GSM). S obzirom da je primarna usluga kod mobilne telefonije prenos

glasa (odnosno telefoniranje), brzina prenosa podataka GPRS protokolom manja. Meutim,

prema podacima koje nudi operater komercijalnim korisnicima navodi se da GPRS nudi i do

5 puta bri prenos podataka u odnosu na GSM.

Prednosti korienja GPRS-a u odnosu na GSM (koji se trenutno koristi) su sledee [8]:

Trenutno uspostavljanje konekcije - Uteda na vremenu prilikom uspostavljanja

veze, budui da nema ekanja signala i biranja broja. Iako su korisnici sa GPRS

mreom konstantno prijavljeni, tarifiranje se ukljuuje onda kada otpone prenos

podataka.

Tarifiranje koliine prenetih podataka - Obraunava se koliina podataka koju ste

poslali ili primili na svoj raunar.

Bri prenos podataka - U GPRS mrei prenos podataka je oko 5 puta bri od

dosadanjeg naina prenosa podataka (GSM) kroz mobilnu mreu. Zahvaljujui

velikoj brzini prenosa, GPRS omoguava :

brz pristup WAP stranicama s obiljem korisnih informacija,

povezivanje GPRS mobilnog telefona s laptopom: - potpun pristup svim

Internet uslugama (elektronskoj poti, web stranicama, bibliotekama

softvera),

pristup intranet mrei preduzea sa bilo kog mjesta ako je korisnik u domenu

mrenog signala



-15 -

Stalna dostupnost - Veza sa Internetom je stalno uspostavljena, a uz to je

omoguena i stalna dostupnost govornoj komunikaciji. ak i u trenutku pregledanja

Internet ili WAP sadraja, korisnik je dostupan i moe da primi poziv. Stalna veza sa

Internetom i stalna dostupnost su velike prednosti GPRS-a u poreenju sa GSM

mreom.

Nedostaci postojeeg reenja ogledaju se u sledeem:

vrijeme prenosa podataka je dosta veliko,

smanjena tanost prenijetih podataka,

smanjena tanost izmjerenih podataka (starost ureaja, runo oitavanje).



-16 -

7. Praenje stanja voda u Srbiji

Prva sistematska hidroloka osmatranja na teritoriji Srbije otpoela su u prvoj

polovini XIX veka. Prva vodomjerna stanica na naim prostorima osnovana je 1812. godine

kod vojnog utvrenja Petrovaradin - Novi Sad, na desnoj obali Dunava. Nakon toga slijedi

osnivanje itavog niza vodomjernih stanica kao to su: Novi Beej (1855.), Bezdan (1856.

god.), Zemun (1859.), Senta (1860.), Slankamen (1888.) i druga mjesta.

Ocjenjivanje kvaliteta rjene vode do sada je bilo uglavnom bazirano na diskretnim

kampanjama monitoringa, sa vremenskim intervalima od vie dana, nedelja, mjeseci ili ak

godina. Na teritoriji Srbije RHMZS prati fiziko-hemijske promjenljive kvaliteta povrinskih

voda na oko 150 lokacija jednom mjeseno ili ee [5]. Na svim lokacijama prati se osnovni

set parametara, kao to su: temperatura vode, pH vrijednost, provodljivost, rastvoreni

kiseonik, hemijska potronja kiseonika (HPK), amonijum, nitriti, ukupni fosfor i hloridi.

Takoe se odreuju bioloka potronja kiseonika (BPK), sulfati, ukupna tvrdoa,

suspendovane vrste materije i teki metali (As, Cd, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn).

Za prouavanje vrlo dinaminih procesa takva ema uzorkovanja esto nije dovoljna

za pouzdanu analizu statusa rijeke. Prema okvirnoj direktivi o vodama (WFD) 2000/60/EC u

svim zemljama lanicama treba do kraja 2015. god. dostii dobar ekoloki status svih vodnih

tijela, za ta je neophodna produbljena analiza sadanjeg i budueg stanja voda.

Kvalitet povrinskih voda u stalnom je padu i smatra se da nije zadovoljavajui. Od

1994. godine kvalitet voda u veini gradova u Srbiji pogorao se i sa druge pao je na treu

klasu kvaliteta vode (III klasa - vode koje se mogu upotrebljavati za navodnjavanje, a posle

uobiajenih metoda obrade (kondicioniranje) i u industriji osim prehrambene).

Vode su uglavnom zagaene nutrijentima, derivatima nafte, tekim metalima i

organskim jedinjenjima. Povrinske vode naroito su ugroene u reonima velikih gradova i

industrijskih postrojenja koje se bave proizvodnjom hrane (eerane, fabrike voa i povra,

farme i slino). U skladu s tim, bilo bi poeljno obezbijediti mreu senzora koji e pored

mjerenja nivoa vode biti u mogunosti da daju odgovore na prethodno nabrojane elemente

zagaenja. Kada bi se koristei mreu senzora utvrdila priblina mjesta zagaenja bilo bi

jednostavnije utvrditi i samog uzronika. Treba napomenuti da Srbija ima dobro razvijenu

mreu za monitoring voda, ali veliki problem predstavlja nedostatak strunog kadra i

opreme.

Na sledeoj slici prikazana su neka mjesa sa vodomjernim stanicama za daljinski

prenos podataka o vodostaju.



-17 -

Slika 6. Lokacije automatskih mernih stanica na Tisi i Dunavu

Vodomjerna stanica Novi Kneevac nalazi se u mrei hidrolokih stanica i opremljena je

ureajem za daljinski prenos podataka o vodostajima (Slika 6). U malovodnom periodu na

reim vodostaja na ovoj stanici utie i uspor od brane u Novom Beeju. Prosjeni proticaj

rijeke Tise do profila Novi Beej iznosi 766 [m3/s]. Vodomjerna stanica Zemun takoe spada

u jednu od izvjetajnih mrea hidrolokih stanica slube prognoze voda Zavoda, i ona je

opremljena ureajem za daljinski prenos podataka o vodostajima. Prosjeni proticaj rijeke

Dunava do profila Zemun iznosi 3700 [m3/s].

7.1 Koncept automatske stanice za utvrivanje stanja voda

Pumpa uronjena u rijenu vodu kontinualno doprema vodu do stanice. Na ulazu se

mjeri mutnoa, a nakon filtracije voda protie kroz mjerni bazen gde su postavljeni senzori

za mjerenje temperature, pH vrijednosti, provodljivosti, rastvorenog kiseonika, amonijum-

jona, nitrata, hlorofila-a i sline analize. Takodje se mjeri nivo vode senzorom koji moe biti

potopljen ili se nalazi iznad vode. Sve izmjerene vrijednosti sakupljaju se u centralnom data-

logeru sa kapacitetom skladitenja do mjesec dana zavisno od uestalosti uzorkovanja ili je

omogueno direktno slanje do centralnog raunara putem GSM mree, to predstavlja

savremeniji nain i mogunost skladitenja vee koliine podataka.



-18 -

7.2 Hidroloki sistem WISKI

U RHMZ-u je od 2009. godine zapoeta implementacija, a od 2011. godine uveden je

u operativnu upotrebu hidroloki informacioni sistem WISKI od strane njemakog

proizvoaa KISTERS iz Ahena. Ovaj sistem omoguava sveobuhvatno skladitenje dravnog

fonda zvaninih hidrolokih podataka i podataka o vodnim resursima sa teritorije Republike

Srbije. Rije je o sistemu za prikupljanje, obradu, arhiviranje, analizu istorijskih hidrolokih

podataka i informacija, podataka u realnom vremenu (real-time data), hidrolokih prognoza

i upozorenja.

Osnovne karakteristike WISKI sistema [3]:

Pouzdan, skalabilan i adaptabilan server klijent sistem,

Obezbeuje okruenje za upravljanje vremenskim serijama za sve tipove parametara

u hidrologiji i meteorologiji,

Obezbeuje zahteve akvizicije, skladitenja, validacije, analize, integracije i

diseminacije podataka,

Ispunjava uslove Okvirne direktive o vodama Evropske unije,

Omoguava import i upravljanje podacima u realnom vremenu (real-time data),

Obezbeuje funkcionalnosti za kontrolu i obradu podataka,

Omoguava eksport podataka u eljenom formatu,

Prua mogunost pripreme razliitih tipova izvetaja, grafika i slino,

Na raspolaganju su alati za naprednu statistiku obradu i analize u hidrologiji.

Slika 7. Izgled portala WISKI za praenje rijenog sliva Dunav



-19 -

Slika 8. Hidroloki podaci sliva Dunav

Slika 9. Grafiki prikazi visine vodostaja i datum i vrijeme uzorkovanja



-20 -

Korienjem prikazanog sistema i njegovom komunikacijom sa mjernom stanicom sa koje se

preuzimaju promjene nivoa vode, omogueno je praenje promjena vodostaja u blisko

realnom vremenu. Obezbijeeno je praenje promjena nivoa voda kojim se redukuju

tehnoloke barijere, a dobijanje relevantnih informacija je lake i jeftinije (Slika 8).

Monitoring u ovom obliku je dostupan velikom broju korisnika i ima viestruku primjenu.

Prednosti korienja ovog modela se ogledaju u efikasnoj integraciji sistema za upravljanje

vodnim resursima i jednostavnom pristupu informacija prikupljenih na terenu.

Pored numerikih vrijednosti sistem prua i grafiki prikaz rezultata, vrijeme uzorkovanja i

druge mogunosti i analize, to omoguuje bolji i laki rad od strane korisnika (Slika 9).

7.3 Pravovremeno upozorenje od poplava

Na osnovu raspoloivih podataka vre se razne statistike i deterministike analize,

zatim razliite vrste prorauna i odreuju osnovni pokazatelji vodnog reima: prosjeni

protoci, male i velike vode. Poslednji pokazatelj vodnog reima koji se odnosi na velike vode

od krucijalnog je znaaja za praenje tokom vremena. Naroito kada se uzme u obzir i velik

broj stradalih osoba u poplavama.

Pravovremenom upozorenju od poplava predhode informacije dobijene iz mjernih

stanica drugih drava koje se nalaze uzvodno. Ako se za primjer uzmu mjerne stanice iz

Budimpeste (Maarska) koje alju podatke trenutnog vodostaja u hidrometeroloski zavod,

taj vodostaj e priblino (na osnovu brzine proticaja) biti u Srbiji za 8 dana.

Vanredna odbrana od poplava se proglaava kada vodostaj dostigne propisanu

granicu i ima tendenciju daljeg porasta, ili kada to zahtijevaju drugi razlozi (dugo trajanje

vodostaja iznad granice redovne odbrane, stanje nasipa i objekata, nastupanje opasnosti od

nagomilavanja leda i dr.). Kljunu ulogu ima praenje nivoa vode u odreenjim vremenskim

razmacima koristei senzorske sisteme. Rad sa podacima dobijenim u realnom vremenu je

od ogromnog znaaja za sprjeavanje ili ublaavanje posledica katastrofalnih dogaaja.

Na kraju, neophodno je napomenuti da su u okviru elementarnih nepogoda poplave

najzastupljenije. Naime, rauna se da 9/10 elementarnih nepogoda ine ustvari etiri

osnovne grupe [21]:

poplave 40 %

tropski cikloni 20 %

zemljotresi 15 %

sue 15 %



-21 -

8. ZAKLJUAK

Upotrebom senzora za kontinualno mjerenje parametara kvaliteta vode mogue je

sagledavanje dugotrajnog ponaanja, kao i vanrednih dogaaja. Koristei ove informacije

jasno se mogu identifikovati pojedinana isputanja zagaujuih materija u vodni resurs.

Upotrebom odgovarajuih senzora mogu se dobiti validni podaci ako se izvri odgovarajua

kalibracija i odravanje. Poeljno je imati "Pametan" sistem zato to moe smanjiti potrebu

za ljudskim radom tako da se vie panje moe posvetiti specijalnim zadacima i rjeavanju

problema.

Rad sa podacima koji se dobiju u realnom vremenu od ogromnog je znaaja za

sprjeavanje ili ublaavanje posledica katastrofalnih dogaaja, omoguuje prije svega da se

nadreeni osposobe i pripreme za pravovremeno reagovanje.

Zahvaljujui brzom razvoju tehnologija, danas je mogue razviti efikasne sisteme za

praenje pojava, kao i kontrolisanje kritinih i njihovo sprjeavanje. Sensor Web je postao

standard u ovoj oblasti i predstavlja koncept fokusiran na probleme okruenja i naine za

njihovo rjeavanje. Primjena ovih sistema je viestruka. Omoguavaju prije svega mjerenje

vodostaja na rijekama, kanalima, zatim upravljanje rizicima i davanje prognoze i upozorenja.

Srbija ima dobro razvijenu mreu za monitoring voda, ali veliki problem predstavlja

nedostatak strunog kadra i opreme.

Na kraju se moe zakljuiti da je poznavanje nivoa voda od velikog znaaja. Ako se o

osnovnim parametrima vodi rauna mogu se lako sprijeiti nesree do kojih dolazi izlivanjem

rijeka, kanala i slino. Predloeno rjeenje prikupljanja i prenosa podataka o vodostaju je

samo jedan od doprinosa buduih smanjenja nesrea nastalih izlivanjem rijeka i

neblagovremenog prenosa informacija.

Pored praenja stanja nivoa voda to je bila primarna tema ovog rada, bilo bi poeljno da

senzori daju i neke druge podatke kao to su trenutni stepen zagaenosti vode. U tom

sluaju bilo bi poeljno imati neto guu senzorsku mreu kako bi se stekao to bolji uvid o

potencijalnom mjestu zagaena. Zbog odravanja biolokog minimuma neophodno je imati i

senzore prije i poslije brane, kako bi se omoguio nesmetan biljni i ivotinjski ciklus u vodi.

Smatram da je mogunost primjene ovakve vrste senzora kao to je beini prenos

podataka od viestrukog znaaja u raznim oblastima, a izmeu ostalog i kod stanja praenja

voda. Konano, zavisno od aplikacije, nije neophodno imati kontinualno mjerenje svih

senzora, ve je bolje imati nekoliko promjenljivih koje su tano i pouzdano mjerene nego

puno promjenljivih koje su netane.



-22 -

REFERENCE

[1] Hidrometrija

http://www.rgf.bg.ac.rs/predmet/GO/II%20semestar/Opsta%20hidrologija/Predavanja/Hidr

ologija%204%20cas.pdf

[2] Hidroloka merenja

http://www.agfbl.org/sajt/doc/file/so/1/07/00659_200904

[3]

http://www.hidmet.gov.rs/podaci/dokumenti_ciril/delatnost_hid_hidro_analiza_odsek.pdf

[4] Hidrometrija

http://www.gradst.hr/Portals/9/docs/katedre/Hidrologija/HIDROMETRIJA%20NASTAVA%20

%281.%20dio%29.pdf

[5] Svetomir Mijovi, Bojan Palmar, Slavimir Stevanovi, AUTOMATSKE STANICE ZA

KONTINUALNI MONITORING PARAMETARA KVALITETA VODA NA GLAVNIM VODOTOCIMA

SRBIJE; Svetomir Mijovi, Bojan Palmar, Slavimir Stevanovi

[6] GEOWOW Consortium, OGC Sensor Observation Service 2.0 Hydrology Profile

https://www.google.rs/?gws_rd=cr&ei=DFjqUvWLBcWktAbHpIDoAQ#q=OGC%2C+Sensor+O

bservation+Service+1.0.0%2C+OGC+Document%2C+2007.

[7] ANALIZA GPRS SERVISA ZA PRENOS PODATAKA U GSM-u

[8] GPRS U FUNKCIJI PRAENJAVODOSTAJA NA REKAMA

[9] Boo Dalmacija, RESURSI VODE ZA VODOSNABDEVANJE

[10] Gavrilo Bjekovi, Jedna realizacija beine senzorske mree, / Srbija, Beograd,

novembar 25.-27., 2008.

[11] Milica D. Jovanovi, VIEKANALNI MAC PROTOKOLI ZA BEINE SENZORSKE MREE,

magistarska teza

[12] Kussul N., Shelestov A. & Skakun, S. (2009). SENSOR WEB MODELLING FOR FLOOD

APPLICATIONS.

[13] Botts M., Percivall G., Reed C., & Davidson J. (2008). OGC sensor web enablement:

Overview and high level architecture. In GeoSensor networks (pp. 175-190). Springer Berlin

Heidelberg.

[14] Simonis I. (2008). OGC sensor web enablement architecture. Open Geospatial

Consortium.

[15] Preuzimanje podataka iz SOS



-23 -

http://www.ogcnetwork.net/sos_2_0/tutorial/core

[16] G. Zhou, C. Huang, T. Yan, T. He, J. Stankovic and T. Abdelzaher, MMSN: Multi-

Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks, In IEEE Infocom, April 2006.

[17] Na A., & Priest M. (2006). OpenGIS sensor observation service implementation

specification. Open Geospatial Consortium Implementation Specification, 91.

[18] Holger Karl and Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireles Sensor

Networks, Wiley, 2005

[19] Open Geospatial Consortium. (2007). OGC sensor web enablement: overview and high

level architecture.

[20] Brring A., Jrrens E. H., Jirka S., & Stasch C. (2009, June). Development of sensor web

applications with open source software. In First Open Source GIS UK Conference (OSGIS

2009) (Vol. 22).

[21] arko Vukmirovi, RANO UPOZORAVANJE OD POPLAVA U SRBIJI; Diplomski rad, Trg

Dositeja Obradoica 6, 21000 Novi Sad

1. Uvod2. Uopteno o vodama2.1 Opis znaaja i znaenja pojedinih parametara

3. Senzori i senzorske mree3.1 Beine senzorske mree

4. OGC Specifikacije4.1 WaterML4.2 Observation and Measurements4.3 SOS

5. Rezultati i distribucija podataka6. GPRS U FUNKCIJI PRAENJA VODOSTAJA NA RIJEKAMA7. Praenje stanja voda u Srbiji7.1 Koncept automatske stanice za utvrivanje stanja voda7.2 Hidroloki sistem WISKI7.3 Pravovremeno upozorenje od poplava

8. ZAKLJUAK

Seminarski - Upotreba Senzorskih Mreža Za Praćenje Stanja Voda

Documents