基于嵌入式的水文水情數據采集系統

陳果

摘 要 在信息少、采集點分散、技術薄弱、地處偏遠山嶺的流域、水庫，如何實時監測水情，保證河道、水庫安全，進行災害預防和控制；提高水資源開發利用、聯合調度、科學管理提供決策依據。基于此，提出的基于嵌入式的水文水情數據采集系統，利用互聯網采用令牌方式實現一對多的通訊。系統具有多種工作方式，功能擴展靈活，滿足野外條件需要。

關鍵詞 水文；水情；防汛；河道；令牌；數據采集

中圖分類號：P716；TP316.81 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2015）24--02

水情監測是保證河道、水庫安全，水資源合理利用，進行災害預防和控制等的一項重要工作。也是水利、水務部門的一項日常工作。四川省流域、水庫眾多，防汛任務十分艱巨，特別在震后及大旱后[1]。嚴重的干旱會導致水庫水位降至死庫容以下，部分水庫土壩出現裂縫，大旱過后又容易出現大澇，給防汛帶來了隱患，2006年大旱，2007年出現百年難遇大洪水就是例證。2008年的大地震造成許多水庫溢洪道山體滑坡堵塞了部分泄洪通道，一些防浪墻倒塌，大壩頂有明顯震陷，防滲墻上方的壩面產生較大裂縫等；山體滑坡堵塞河道，出現了許多堰塞湖，同樣給防汛帶來了隱患。水利部門對四川省近50 a來洪災發生特點進行分析后認為，2008-2012年，四川省將進入洪水特大災害高發期。如何自動實時監測水情，保證河道、水庫安全，進行災害預防和控制；為水庫或流域內的水資源開發利用規劃、聯合調度、提高水資源利用效率、科學管理水資源提供科學的決策依據，本文提出了一種新的思路。

1 系統結構原理

流域、水庫多處偏遠的山嶺地帶，缺電、環境惡劣、信息采集點分散、各采集點需采集的數據少（水位、雨量、流量等幾個數據）、技術力量差（常無人或只有文化較低的值班員）等，要能及時監測水文水情變化情況，建立起完善的自動監測系統和水文水情數據采集信息，提高水文工作質量，為防治水、旱災害提供現代化的技術支持和服務，給水文水情監測提出了新的技術要求。本文利用現代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術，提出基于嵌入式的水文水情數據采集系統，能較好地實現水文水情的實時監測，而且采用無線網絡傳輸數據，實現數據傳輸的高效率、低成本及實時性[2]。

各采集點的雨量、水位等數據在遙測終端（可用嵌入式系統ARM9開發）處理后，由232串口連接到CDMA，經互聯網傳送到數據中心。各遙測終端（采集點）與中心采用領牌通訊方式[3]。申請一個域名地址，建立網絡數據庫，遙測終端定時或觸發方式訪問網絡數據庫中的令牌，讀取命令或編碼發送數據及站點地址信息，中心站也定時或人工干預方式訪問網絡數據庫中的領牌，讀取數據或發布命令。采用令牌通訊方式，實現一對多通訊。同時，可節約網絡數據庫空間，減少費用。遙測終端采用太陽能供電，解決缺電問題[4]。

2 系統工作方式及系統功能

2.1 系統工作方式

在水文水情數據監測系統中，可采用自報式、查詢應答式和自報/查詢應答式3種工作方式之一。

2.1.1 自報式

自報式是一種不受中心站指令控制的工作方式，當水文水情下位數據遙測終端的測量參數（水位、雨量等）發生一個按預先規定的數據變化時，自動向上位機服務器中心發送水文水情信息。采用自報式工作方式，設備功耗低，實時性強。

2.1.2 查詢應答式

遙測終端只對水文水情參數的變化自動采集與存儲，不主動發送給服務器中心，只有當中心站發出查詢指令時，才將水文水情信息上傳。特點是可控性好，中心服務器可以隨機或定時地對遙測終端進行巡測[5]。缺點是遙測終端隨時處于工作狀態，以便接受中心站的指令，上傳數據，終端值守功耗較大。

2.1.3 自報/查詢應答式

以自報式為主，查詢應答式作為輔助。綜合自報和應答2種方式的特點，既能實時自報，又具有受控功能，功能相對較強?？梢远〞r、定點、變化量以及閥值變化后觸發上傳數據。

2.2 系統功能

2.2.1 雨量監測

實時采集雨量數據，記錄雨量變化情況。當有降雨時，對降雨情況進行監測，降雨量每達閥值（1 mm）時，發送一次數據。

2.2.2 水位監測

實時監測并記錄水位變化情況。當水位變化量達閥值（1 cm）時，發送一次數據；

2.2.3 狀態監測

對遙測終端狀態進行監控，查詢遠程設備工作狀態（電壓、運行情況等），設備復位等。

2.2.4 告警控制

通過設置監測點的基準值（正常值）及報警閥值，并對實時采集數據進行分析，出現異常時，通過報警聲、顏色及圖標變化等方式向值班人員報警。

2.2.5 統計分析

水情采集數據包含有對水利建設，災害防控具有重要價值的信息。但這些數據必須進過統計分析后，才能以直觀的表現形式呈現出來，為水利建設、災害防控提供參考。本系統可設計按各種統計查詢條件生成滿足查詢要求的各種統計圖表，如各站實時降雨量數據采集表；各站實時水位變化表采集表；各站降雨量日報、月報、年報；各站水位變化日報、月報、年報；各站降雨量逐時變化統計圖，時間軸可以是分、小時、天、月、年等；各站水位變化逐時統計圖，時間軸可以是分、小時、天、月、年等；各種匯總統計圖表及趨勢分析圖等。

2.2.6 擴展性

系統要能擴展方便、靈活，滿足實際需要。

2.2.7 系統管理

用于系統基本字典信息維護，參數設置，系統用戶的增、刪、改管理，權限控制，口令修改等。

3 結語

隨著科學技術不斷進步和發展，水文水情監測系統需要實現數據信息的共享，實現水文監測功能的同時滿足水文管理的要求，增強和完善系統服務功能，擴大監測的覆蓋面積，減少人力、財力和物力，使資源利用率最大化。采用先進的通信方式，解決在偏遠無網絡地區的數據采集和傳輸，建設網絡信息化，特別是對經濟欠發達的西南地區水文水情監測有重大的使用價值和現實意義。

本文提出的基于嵌入式的水文水情數據采集系統，能實現水文水情的實時監測。采用無線網絡傳輸技術，可以實現高效率、低成本以及實時性數據傳輸。這對于目前的水文水情監測系統無疑是一較大的突破和改進?；谇度胧降乃乃閿祿杉到y的設計思想還可以應用到更多的領域中，如氣象數據監測、灌區計量等野外以及偏遠地區等環境惡劣的領域。

參考文獻

[1]代顯剛.基于嵌入式ARM9和CDMA+DTU水文水情數據無線采集[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[2]張建云.水文自動測報系統應用技術[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[3]劉澤建.嵌入式水文信息采集智能終端的研究與設計[D].廣州：廣東工業大學，2006：5.

[4]孫增義.水情自動測報技術基礎及應用[M].北京：中國水利水電出版社，1999：31-33.

[5]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責任編輯：趙中正）