基于傳感器的遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)的研究

李志中 謝云

（廣東東軟學院，廣東 佛山 528225）

一、概述

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，對水文信息不斷提出新的要求，水文觀測項目和內(nèi)容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監(jiān)測技術的研發(fā)和應用提出了越來越高的要求；同時，現(xiàn)代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展，也促進了水文監(jiān)測技術自動化的發(fā)展。

在水文監(jiān)測系統(tǒng)中，常常需要對眾多的水位點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到監(jiān)控中心的后端服務器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過GPRS、3G或者4G無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。水文監(jiān)測設備可將采集到的水文數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡及時發(fā)送到水務部門，實現(xiàn)對水情信息的及時監(jiān)控，可以大大提高水文部門的工作效率。因此，遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)的全面實施，是十分必要和迫切的。

二、系統(tǒng)功能指標

前面已經(jīng)提到了，由于軟件系統(tǒng)開發(fā)商不同，使用的硬件設備也有差異，中心數(shù)據(jù)庫存儲結構不一致，造成了多個方面的不統(tǒng)一，給國土城建和水務局的統(tǒng)一管理帶來了很大的麻煩和困難。因此，開發(fā)并應用一套統(tǒng)一管理和維護的水文監(jiān)測系統(tǒng)已十分的必要。該系統(tǒng)的功能指標如下。

（一）前端硬件及配套軟硬件設備標準體系

制定一套前端硬件及配套設備標準體系，包括雨量測量儀、水位計、GPRS DTU等硬件設備。

（二）數(shù)據(jù)規(guī)范集中存儲

設計一套統(tǒng)一的規(guī)范化數(shù)據(jù)存儲格式，用于存儲通過遠端設備采集回來的數(shù)據(jù)，并集中存儲，以便對其進行分析、統(tǒng)計。

（三） 數(shù)據(jù)采集功能

通過前段遠程設備（雨量測量儀、水位計等），將數(shù)據(jù)（雨量、水位等）通過GPRS等網(wǎng)絡采集回來，存儲到規(guī)范化的中心數(shù)據(jù)庫中。

（四）水情監(jiān)控功能

對采集回來規(guī)范存儲的數(shù)據(jù)，進行分析、統(tǒng)計，實現(xiàn)水情監(jiān)控功能。包括水情監(jiān)控、雨情監(jiān)控、臺風監(jiān)控、防汛調(diào)度等等。

（五）遠程監(jiān)控終端管理

能對遠程監(jiān)測終端（雨量測量儀、水位計等）進行統(tǒng)一的管理，并提供遠程監(jiān)測終端的配置功能。

三、系統(tǒng)性能指標

系統(tǒng)總體規(guī)劃即對全局問題的設計，也就是設計系統(tǒng)總的處理方案，又稱概要設計。包括計算機配置設計、系統(tǒng)模塊結構設計、數(shù)據(jù)庫和文件設計等等。

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務需求，和實際部署的運行環(huán)境，可以將系統(tǒng)的總體框架設計為多層體系結構，如下圖所示：

項目建設架構上由測站及基礎設施、數(shù)據(jù)匯集平臺、綜合數(shù)據(jù)庫、服務支撐、業(yè)務應用、統(tǒng)一門戶六個部分組成。

（一）測站及基礎設施：測站及基礎設施內(nèi)容包括：已建和新建測站、已建的傳感器以及網(wǎng)絡等基礎設備。

（二）數(shù)據(jù)匯集平臺：實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的采集、解析、匯總，保護數(shù)據(jù)的一致性、規(guī)范性。

（三）綜合數(shù)據(jù)庫：綜合數(shù)據(jù)庫主要包括業(yè)務數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)資源管理。數(shù)據(jù)庫是應用系統(tǒng)的信息支撐，用于存儲和管理各專業(yè)應用所需的數(shù)據(jù)，為業(yè)務應用提供信息支持服務。

（四）服務支撐：服務支撐包括應用支撐平臺和關鍵性服務組件。服務支撐位于數(shù)據(jù)資源之上，統(tǒng)一管理各種系統(tǒng)資源，為上層的業(yè)務應用提供技術支撐服務。

（五）業(yè)務應用：遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設將涵蓋區(qū)水文監(jiān)測管理的主要業(yè)務范圍，將其信息化并綜合展現(xiàn)。

（六）統(tǒng)一門戶：功能子系統(tǒng)是將系統(tǒng)的業(yè)務應用集中到一個服務平臺上，通過單點登錄，實現(xiàn)應用的入口統(tǒng)一。

四、系統(tǒng)體系結構

依據(jù)統(tǒng)一的標準，可以建設一套標準的遠程監(jiān)測終端系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲功能于一體，采用低功耗設計，要求能夠適用于太陽能供電的監(jiān)測現(xiàn)場。

（一）硬件部分

遠程監(jiān)測終端系統(tǒng)硬件部分包括：信號感知模塊（傳感器）、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線數(shù)據(jù)通信模塊、供電模塊、防雷模塊。架構圖如下：

傳感器（包括編碼器和顯示部分）的作用是感受被測量，并將該量值轉換成增量式、編碼式、模擬式或數(shù)字式等不同形式機械的或電信號的輸出。編碼器是進行信息表示方式轉換，完成信源編碼的部件。

系統(tǒng)選用的傳感器，必須是經(jīng)過鑒定符合技術標準、計量標準的正規(guī)產(chǎn)品，其適用條件、精度、分辨力、技術性能必須符合有關的水文測驗國家標準、行業(yè)標準的要求。

（二）軟件部分

遠程監(jiān)控終端的性能和效率由系統(tǒng)軟件直接決定。遠程監(jiān)控終端將現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分類整理過濾，形成有效信息通過網(wǎng)絡實時地上報給監(jiān)控中心的通信服務器。接收通信服務器的指令控制執(zhí)行機構的動作，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行預判，當數(shù)據(jù)達到報警條件時，立即將報警信息報送監(jiān)控中心處理。由于遠程監(jiān)控終端位于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的最遠端，經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、地理位置偏僻的站點，還應具備遠程配置的功能。

遠程監(jiān)測終端系統(tǒng)的功能包括：

通信功能：支持GPRS、APN、短消息、衛(wèi)星等多種通訊方式；支持與多中心進行數(shù)據(jù)通信；支持實時在線、定時喚醒兩種工作模式。

采集功能：采集水位、雨量變送器的標準信號；采集流量計、脈沖表的流量數(shù)據(jù)；采集水泵或閥門運行狀態(tài)、設備供電狀態(tài)和箱門開關狀態(tài)。

圖片抓拍功能：可外接工業(yè)照相機，進行圖片抓拍。

控制功能：支持自動控制、遠程控制水泵、閥門等控制設備。

遠程管理功能：支持遠程參數(shù)設置、程序升級。

報警功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)越限，立即上報告警信息。

存儲功能：本機循環(huán)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，掉電不丟失。

五、中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)

中心監(jiān)控軟件負責各個遠端監(jiān)測終端的管理與配置，對遠端監(jiān)測終端進行數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、統(tǒng)計、分析、上報，并建立數(shù)學模型，提供管理層的決策依據(jù)。具體可以分成兩個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、水情綜合監(jiān)控管理子系統(tǒng)。

中心監(jiān)控軟件系統(tǒng)模塊結構如下圖所示：

六、系統(tǒng)部署方案

水務部門的水文數(shù)據(jù)作為三防的重要信息，可以其他部門進行共享。遠程數(shù)據(jù)采集是通過GPRS APN網(wǎng)絡進行的，所以采集數(shù)據(jù)存儲在政務網(wǎng)采集數(shù)據(jù)服務器中。而政務網(wǎng)通過開放數(shù)據(jù)接口，提供數(shù)據(jù)給各水利部門使用。系統(tǒng)部署圖如下：

七、結論

綜上所述，基于傳感器的遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)的研究，有著重要的現(xiàn)實意義。本項目成果包括：

（一）遠程水文數(shù)據(jù)采集軟件一套（軟件）（包括：數(shù)據(jù)采集與水情綜合監(jiān)控兩個子系統(tǒng)）；

（二）信息管理及中心數(shù)據(jù)庫存儲結構規(guī)范一套（文檔）（包括：基礎類、信息采集與傳輸類、數(shù)據(jù)資源類、空間表達類、應用支撐類和管理類等6大主要類別共計25部技術標準）；

（三）前端硬件及配套設備標準體系一套（文檔）。