多要素智能RTU設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)及在水利行業(yè)中的應(yīng)用

孫晶晶 高 原

一、引言

目前安徽省內(nèi)各流域內(nèi)防汛樞紐以及河流河道大多都已配備自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部分地區(qū)還是以人工觀測(cè)上報(bào)方式獲取數(shù)據(jù)，所提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性與決策層所需相差甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能單一，監(jiān)測(cè)水位、視頻、水質(zhì)等參數(shù)都采用獨(dú)立的系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合及共享，隨著水利工程管理要求的不斷提高，河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制等新政策新制度的推行，以及水利信息化的不斷發(fā)展，水利管理手段必將向智能化、智慧化方面不斷進(jìn)化，因此對(duì)數(shù)據(jù)跨界融合的要求也越來(lái)越高。但由于種種原因，各種數(shù)據(jù)分散于不同口徑、不同部門(mén)，數(shù)據(jù)完整度低，調(diào)用復(fù)雜，難以匯總、融合、利用。

本研究介紹了研制一種多要素智能RTU設(shè)備，可以兼容多種采集設(shè)備的RTU設(shè)備，包括采集水位、水質(zhì)、雨量、風(fēng)速、溫濕度、視頻等參數(shù)，并搭建流域性數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)及手機(jī)移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)。在一定程度上節(jié)省了成本開(kāi)支，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合及共享，使水管單位在管理手段上更加智慧化、智能化。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與采集流程

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多要素智能RTU設(shè)備系統(tǒng)主要由遙測(cè)站核心控制、中心站監(jiān)控中心兩個(gè)部分構(gòu)成。遙測(cè)站核心控制部分為智能遙測(cè)終端RTU ；中心站監(jiān)控中心部分包括數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)、移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)、監(jiān)控服務(wù)器等。該系統(tǒng)的核心主要開(kāi)發(fā)了遙測(cè)站智能終端RTU和數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)軟件。智能遙測(cè)終端RTU設(shè)備可外接具有485通訊接口、4～20mA接口，HTTP協(xié)議等通訊類(lèi)型的傳感器，定時(shí)采集水位、水質(zhì)、風(fēng)速、視頻等信號(hào)數(shù)據(jù)至中心站，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理統(tǒng)計(jì)及分析；智能遙測(cè)終端在硬件方面，配置了蓄電池及太陽(yáng)能電池板，并采用低功耗設(shè)計(jì)以滿足野外長(zhǎng)期工作的需要，即使沒(méi)有外電的情況下也可以使用。在軟件方面，并實(shí)現(xiàn)了水位、水質(zhì)、風(fēng)速、視頻等自采集、計(jì)算和傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)。支持不同傳感器的數(shù)據(jù)處理，并采用不同的計(jì)算模型計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)采集入庫(kù)，在數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)展示，可以通過(guò)大屏顯示終端顯示，并開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)手機(jī)終端移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索查詢(xún)。

2.采集流程

以多要素智能RTU設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用在防汛抗旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，如圖1所示，將多要素RTU設(shè)備安裝在水位井房?jī)?nèi)，將各類(lèi)通訊接口的監(jiān)測(cè)傳感器（水位計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、攝像頭、溫度計(jì)等）接入到RTU，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集，并通過(guò)解碼運(yùn)算，通過(guò)傳輸層（光纖/無(wú)線電臺(tái)/WIFI/GPRS）將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端智能井房系統(tǒng)平臺(tái)，并可以將界面展示在中心站的大屏展示平臺(tái)系統(tǒng)中。

三、多要素智能RTU設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.多要素智能RTU設(shè)備結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

安徽省水科院自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的多要素智能RTU設(shè)備是基于工業(yè)級(jí)32位微處理器的智能遙測(cè)終端機(jī)。智能遙測(cè)終端機(jī)主要由微處理器單元、串口通信單元、網(wǎng)絡(luò)接口、USB 接口等組成，多要素智能RTU結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。智能遙測(cè)終端具有以下功能：定時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸、斷點(diǎn)續(xù)傳、遠(yuǎn)程參數(shù)讀?。ǚ奖憔S護(hù)）、SD卡存儲(chǔ)、多系統(tǒng)維護(hù)（遠(yuǎn)程控制功能）。 智能RTU的使用，大大提高了水位站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化。

設(shè)備在研制過(guò)程中結(jié)合其他廠家RTU設(shè)備功能及特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際需求不斷改進(jìn)，考慮到傳輸數(shù)據(jù)量大，及傳輸?shù)目煽啃约百M(fèi)用問(wèn)題，采用光纖、WIFI、GPRS等多種網(wǎng)絡(luò)方式通信；安裝在野外，考慮到供電及避雷問(wèn)題，采用市電及太陽(yáng)能蓄電池兩種方式，確保在斷電情況下RTU設(shè)備能斷電運(yùn)行2天，并配備避雷裝置及電源保護(hù)器；考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在RTU上加載自主研發(fā)的具有智能糾錯(cuò)算法的專(zhuān)用芯片，以保障得到的數(shù)據(jù)資料實(shí)時(shí)精準(zhǔn)。具備自檢功能，一旦設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)情況將自動(dòng)重啟，并具備定時(shí)重啟功能；考慮到外接設(shè)備接口及通訊模式的多樣性，多要素智能RTU設(shè)備兼容485信號(hào)、4-20MA電流信號(hào)、視頻信號(hào)等。

圖1 信息采集流程圖

圖2 多要素智能RTU結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 手機(jī)移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)軟件圖

2.數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)軟件

該系統(tǒng)主要采用JAVA和.NET程序開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)兼容性高，在任何操作系統(tǒng)下都能正常運(yùn)行，且后期添加刪除功能模塊可操作性高，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用常用的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，與上級(jí)主管部門(mén)的大數(shù)據(jù)融合簡(jiǎn)易便捷，且使用B/S架構(gòu)，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程登錄瀏覽，為水管部門(mén)的管理工作提供了便捷。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔為主，以“一頁(yè)”的方式將所有的功能以及參數(shù)都展示在操作界面中。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件將水位井房?jī)?nèi)設(shè)備監(jiān)測(cè)的參數(shù)值（水位、電壓、溫度、濕度）以柱狀圖的方式展示，界面右上側(cè)為實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控圖像及各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值。界面上側(cè)為基本信息，包括GPRS信號(hào)強(qiáng)度及連接狀態(tài)、時(shí)間信息等。軟件同時(shí)提供數(shù)據(jù)按照年月日查詢(xún)、數(shù)據(jù)輸出、生成報(bào)表、聯(lián)網(wǎng)打印等功能。同時(shí)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與上級(jí)水管部門(mén)一致，在互聯(lián)網(wǎng)+飛速發(fā)展的時(shí)代，數(shù)據(jù)可以與上級(jí)主管部門(mén)交互傳輸。

該系統(tǒng)功能主要有：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位井房?jī)?nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，并自動(dòng)錄入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，采集頻率最快0.1s一組，實(shí)時(shí)性高。（2）實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集與處理。這些數(shù)據(jù)包括水位、電壓、溫度、濕度、視頻圖像等，要素多樣。（3）數(shù)據(jù)錄入庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與上級(jí)主管部門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)一致，數(shù)據(jù)可以與上級(jí)部門(mén)交互傳輸，兼容性好。（4）該系統(tǒng)也適用于農(nóng)田灌排試驗(yàn)、水文地質(zhì)指標(biāo)、河長(zhǎng)制等領(lǐng)域的定量研究，應(yīng)用領(lǐng)域廣。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在水位井房全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理；控制方式靈活，采用Windows操作系統(tǒng)，可視化、直觀性強(qiáng)，人機(jī)界面友好，操作方便。

3.手機(jī)移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)軟件

手機(jī)移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)軟件采用JAVA及XML開(kāi)發(fā)制作，系統(tǒng)支持安卓及IOS系統(tǒng)的訪問(wèn)瀏覽，系統(tǒng)平臺(tái)軟件界面如圖3所示。系統(tǒng)主要對(duì)水位井房的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行查詢(xún)?yōu)g覽以及數(shù)據(jù)報(bào)表的查閱。

移動(dòng)查詢(xún)平臺(tái)軟件的用戶(hù)對(duì)象為水利管理部門(mén)人員，具有以下功能：

（1）信息瀏覽功能

管理單位人員通過(guò)分配的賬號(hào)登錄手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)端，可以瀏覽其權(quán)限下水位井房的工況基本信息，包括水位、溫度、濕度、電壓、報(bào)警信息等。通過(guò)手指點(diǎn)擊與滑動(dòng)，也可查閱該參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，其他相關(guān)信息一目了然。

（2）信息查詢(xún)功能

用戶(hù)可通過(guò)點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”，查詢(xún)水位井房相關(guān)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，按照日、月、年對(duì)某參數(shù)值進(jìn)行查詢(xún)?yōu)g覽等，數(shù)據(jù)以報(bào)表以及曲線的方式展示。

（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)更新

數(shù)據(jù)更新功能是在用戶(hù)登錄系統(tǒng)后，對(duì)工程數(shù)量進(jìn)行新增及對(duì)某個(gè)工程的參數(shù)進(jìn)行修改的功能，從而能夠更好地保證數(shù)據(jù)更新的實(shí)效性及工作效率。

（4）隨手拍

隨手拍是手機(jī)客戶(hù)端的一個(gè)特色功能，為用戶(hù)提供一個(gè)實(shí)時(shí)上傳當(dāng)前情況的端口，各級(jí)用戶(hù)可以通過(guò)空間查詢(xún)的圖片顯示功能查看到當(dāng)時(shí)用戶(hù)上傳的實(shí)時(shí)圖片，讓用戶(hù)隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

（5）數(shù)據(jù)在線上傳與下載

借助智能移動(dòng)終端的多媒體功能，結(jié)合移動(dòng)通訊（4G或無(wú)線網(wǎng)）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線上報(bào)等功能。為了保證手機(jī)客戶(hù)端與網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)一致性，手機(jī)端編輯的數(shù)據(jù)需要上傳到網(wǎng)頁(yè)端，同時(shí)網(wǎng)頁(yè)端的更新也要下載到手機(jī)端。

四、總結(jié)與展望

本文介紹研制一種多要素智能RTU設(shè)備，可以兼容多種采集設(shè)備的RTU設(shè)備，包括采集水位、水質(zhì)、雨量、風(fēng)速、溫濕度、視頻等參數(shù)，并搭建數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)。在一定程度上節(jié)省了成本開(kāi)支，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合及共享，使水管單位在管理手段上更加智慧化、智能化。

該系統(tǒng)以最基礎(chǔ)、最前端的信息采集設(shè)備為抓手，著眼于實(shí)現(xiàn)多方位跨界數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)推演和機(jī)器學(xué)習(xí)智能分析算法對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的情況進(jìn)行模擬分析，并在水位井房成功運(yùn)用，相信以后可以為河長(zhǎng)、湖長(zhǎng)等決策層以及其他行業(yè)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)