物聯網在高原寒區地下水監測系統中的應用

Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

張　磊1,2　馮建華1,2　袁愛軍1,2　張建偉1,2

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心1，河北 保定　071051;

國土資源部地質環境監測技術重點實驗室2，河北 保定　071051)

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物聯網在高原寒區地下水監測系統中的應用

Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

張磊1,2馮建華1,2袁愛軍1,2張建偉1,2

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心1，河北 保定071051;

國土資源部地質環境監測技術重點實驗室2，河北 保定071051)

摘要：針對青海高原寒區地下水監測工作的現狀，研制開發一種基于物聯網技術的地下水自動監測系統，重點解決監測儀器在高海拔、低溫環境下的可靠性。介紹了監測系統的結構組成及軟硬件設計，并采取多項措施來提高監測儀器低功耗和穩定性。通過一年多的野外試驗應用，系統運行狀況良好。該系統的研究成功能更好地服務于青海高原寒區地下水監測方面的工作，為惡劣環境下的地下水監測提供先進的技術手段。

關鍵詞：物聯網高原寒區地下水監測系統數據傳輸全球移動通信系統低功耗信息管理控制軟件

Abstract：Aiming at the current status of underground water monitoring in Qinghai cold plateaus,the automatic underground water monitoring system based on Internet of things technology is researched and developed.The reliability of the monitoring instrument under high altitude and low temperature environment has to be solved emphatically.The structural composition and software and hardware design of the monitoring system are introduced,low power consumption and stability of the monitoring instrument are implemented by adopting multiple technical measures.Through more than a year of field testing applications,the operating situation of the system is good,The successful research can better service for underground water monitoring of Qinghai cold plateaus,and provide advanced technical measures for underground water monitoring under harsh environment.

Keywords:Internet of thingsCold plateauUnderground water monitoring systemData transmissionGSMLow power consumptionInformation managementControl software

0引言

青藏高原寒區的多年凍土退化將導致多年凍土區水文地質條件發生改變，進而影響到區域水資源循環過程和生態環境。為了了解其分布狀況和監控其變化趨勢，開展凍土區和凍結層水的調查和監測工作是非常有必要的。研究多年凍土與地下水相互作用關系，對寒區生態環境和工程建設具有重要價值[1]。選擇和研發適合高原寒區自然地理條件的工作設備、工作方法，是高原寒區地質環境調查監測工作開展必然要面對的問題。開展這些工作基礎是地下水監測數據的獲取[2]。現代社會地下水監測工作任務重、工作環境惡劣且監測手段落后，數據存儲丟失風險大，且監測自動化程度不高[3]。

針對青海高原寒區的環境特點，開發了一種基于物聯網技術的地下水監測系統并成功應用于野外工作。物聯網技術的主要特點是通過信息傳感設備，按照規定的協議實現人與人、人與物、物與物間全面互聯的網絡[4-5]。對地下水監測系統進行智能運行管理，首先依賴于對監測系統各個環節運行參數的在線監測和實時信息掌控，因此，物聯網作為“智能信息感知末梢”，成為推動地下水監測技術發展的重要技術手段[6]。

1系統整體功能介紹

系統主要由地下水監測數據采集設備、數據通信系統、終端信息平臺(含后臺服務器和應用程序)組成。系統整體框圖如圖1所示。數據采集儀器負責水位水溫等參數定時自動采集。遠程傳輸系統通過數據采集設備，按照約定的協議進行信息交換和通信，以實現智能化采集、傳輸、監控、管理的監測網絡。通信方式則采用了GSM短信。GSM業務按ISDN的原則可分為電信業務和數據業務[7]。數字業務中有短消息業務(SMS)，可以傳遞140個8 bit的ASCII字符的消息。地下水監測系統利用此功能傳遞數據和命令，解決了地下水監測現場與監控中心的距離限制問題。

圖1　地下水監測系統整體框圖

2系統的硬件結構

2.1數據采集部分

為了保證數據的可靠性和穩定性，地下水監測數據采集部分直接采用了國外進口的儀器，型號為美國In-Situ公司生產的Rugged Troll系列水位儀。

2.2數據通信部分

數據通信主要包括外界氣壓的采集和數據的傳輸。其中氣壓的采集頻率與水下數據采集系統采樣頻率相一致。當數據傳輸裝置中的定時系統定時時間到達時，數據傳輸裝置被啟動并同時喚醒井下的數據采集系統，將井下采集的數據和傳輸裝置采集到的氣壓數據一并傳送到控制中心站。完成一次數據上傳循環之后，數據傳輸裝置和井下設備掉電，進入休眠狀態。

2.2.1主控制電路

主控電路的功能框圖如圖2所示。

圖2　主控制電路功能框圖

數據傳輸通信裝置的設計相對儀器要求的運算功能并不是很復雜，但由于要在高原高寒地區實現全自動無人值守工作，這對儀器的功耗等要求比較苛刻。為適應這方面的需求，采用一種將中央處理器、存儲器、高性能模擬技術、I/O接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的超低功耗微控制器。單片機在設計上主要突出了控制功能，調整了接口配置，使整個系統的效率和可靠性大大提高。將設計自動采集儀器與傳輸設備有效地融合在一起，實現監測數據的自動采集、存儲、傳輸與全自動無人值守控制。

數據傳輸裝置中的主控電路板負責整個裝置的電路喚醒、氣壓傳感器的采樣、記錄的發送、數據的處理以及外圍的通信等工作。主控制電路也是整個系統的核心部分，所有功能都依靠主控電路的運行而有序工作。

2.2.2電源

在青海高原寒區的長期監測是一項艱苦而重要的工作，監測地點往往交通不便，沒有電力設施，監測儀器一般采用電池供電、全自動工作、無人值守、定時測量等[7]。根據數據傳輸裝置野外應用條件，同時為了方便維護，綜合考慮耐用性、通用性與便攜性,選定四節普通堿性1號電池供電。一個好的電源可以為整個電子系統提供穩定性的保障，電源系統設計不好，系統運行也會出現問題[8]。將系統設計成電源多路供電系統，分為穩壓常通電源模塊和可關斷電源模塊，其輸出都為3.3 V,輸入電壓是6 V。系統采用低壓差線性穩壓器MAX1726進行降壓處理，它的特點是超低電源電流，可以盡可能延長電池的應用。

在可靠信號觸發后由電源喚醒單元喚醒系統，這時需要必要的功能單元才能啟動消耗能源。一旦系統檢測到沒有可靠的信號觸發或采集數據工作完成后，除維持基本功能的功能單元外，其他單元全部處于關閉狀態，這樣可以有效降低功耗，以滿足長期的野外監測應用[9]。

2.2.3定時時鐘喚醒電路

定時時鐘喚醒電路作為整個監測系統的關鍵部分，提供一個標準穩定的時鐘基準，協調監測系統各部分的統一運作。時鐘系統的核心采用ISL2026時鐘芯片，提供一個輔助供電引腳，當主電源電壓低于某個閾值時，時鐘芯片自動切換到備用電源供電，保證用戶的時間信息不丟失。當實時時鐘運行到事先設定好的時間點時，由芯片的時鐘報警引腳給出一個低電平，微控制器可以根據該引腳狀態進行相應的處理，也可以用作系統的上電喚醒源。

系統的定時時鐘喚醒電路如圖3所示。當用作上電喚醒源時，該報警引腳經組合邏輯電路后連接為控制電路，提供穩壓電源芯片的使能引腳，控制電源芯片的打開與關閉，使得系統休眠時不工作的部分處于斷電狀態。當實時時鐘運行到事先設定好的時間點時，由芯片具有時鐘報警功能的第5管腳給出一個低電平。微控制器可以根據該引腳狀態進行相應的處理，控制電源芯片的打開與關閉，使得系統休眠時不工作的部分處于斷電狀態。只有當時鐘運行到采樣時間或者需要傳送數據時，才打開供電[10]。

圖3　實時時鐘電路圖

3系統的軟件部分

3.1數據通信傳輸控制軟件

控制軟件采用模塊化的編程思想，并將整個軟件工程按照應用層、功能層、硬件隔離層以及硬件驅動層劃分為四個層次，采用標準通用協議作為應用層編程核心指導。嚴格設計各層功能函數的接口參數，使得工程中的各層函數只能相鄰層可以直接發生參數交換。每一層的上層與下層函數之間是“不透明”的，只有硬件驅動層函數直接操作硬件，硬件驅動層以上的函數與硬件沒有關系。這種編程思想指導下設計的軟件具有易于維護、移植性好、性能穩定等優點。

3.2信息管理平臺

信息管理平臺由數據庫服務器、管理終端、Internet 通信網絡及相關的系統軟件組成。監測數據的分析、計算、整理、匯總和存儲是一個十分復雜的過程[11]。利用計算機技術和數據庫技術搭建軟件平臺，實現對監測區域的水文數據遠程管理與顯示。監控中心可以對運行中的監控終端進行參數設置，以及對數據的處理、存儲和分析，便于工作人員對監測區域的情況進行實時分析[12]。

監測設備管理系統的主要功能是對分布在各地的監測設備傳輸數據的接入，并實現實時監測數據的解析、同步更新、顯示、查詢、儀器設備管理、通信設備管理、監測井信息管理、報警等功能。按照功能分類，系統可劃分為以下內容：數據接入部分、設備信息管理、數據管理等幾部分，如圖4所示。

圖4　系統終端平臺功能圖

4應用

地下水監測系統開發完成后，在青海高原寒區利用專用地下水監測井，開展整套系統的應用。從青海高原寒區的不動泉至雁石坪段共安裝九套地下水監測系統，安裝地區的海拔高度在4 500 m以上。

每套系統每天按照規定的時間將監測數據通過GSM發送至中心站進行數據處理及發布。其中五道梁地區監測井從2012年10月運行至今，所采集的數據曲線圖如圖5所示，其中縱坐標表示水位埋深。

圖5　監測數據曲線圖

5結束語

基于物聯網技術的地下水監測系統針對高原寒區特殊的氣候特點，重點解決監測儀器在高原寒區環境下的穩定性、可靠性、低功耗等問題；以短信數據傳輸設備研發為核心，解決與采集設備連接的通信協議解析、通信協議與接口標準的制定等問題。研制的具有GSM遠傳功能的地下水監測系統，經過在青海高原寒區野外一年多的應用，整體上達到了預期的性能，包括監測數據(水位、水溫、氣壓、氣溫)的采集、無線發送和接收，系統終端及上位機管理軟件等都能夠穩定正常地工作，實現了高原寒區惡劣環境下地下水監測的自動采集自動傳輸，建立了地下水動態信息采集、傳輸、監控、管理于一體的智能化監測網絡。本文的研究應用為研究地下水與凍土之間的關系提供了數據支持，為保護青藏高原多年凍土以及為地下水資源合理開發與利用提供科學依據。

參考文獻

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[5] 趙靜,喻曉紅,黃波,等.物聯網的結構體系與發展[J].通訊技術,2010,43(9):106-108.

[6] 魯東海,孫純軍,秦華.基于物聯網技術的智能變電站輔助控制與監測系統設計與應用[J].華東電力,2011,39(4):567-571.

[7] 張愛麗,佟維新.基于GSM/GPRS的變送器實時監控系統[J].儀器儀表用戶,2013(1):68-69.

[8] 趙賀.單片機系統設計中低功耗的探討[J].自動化與儀器儀表,2009,26(6):66-68.

[9] 張磊,馮建華,袁愛軍.地下水水位水溫自動監測儀的設計[J].自動化儀表,2013,34(9):89-91.

[10]張磊,凌振寶,馮建華,等.地下水數據傳輸系統的電源設計與實現[J].電源技術,2015,39(1):116-120.

[11]張洋洋,趙建平,徐娟娟.基于物聯網技術的水文監測系統研究[J].通信技術,2012(4):108-109.

中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602013

國土資源部公益性行業科研專項基金資助項目(編號：201411083-4)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者張磊(1982-)，男，2013年畢業于吉林大學儀器儀表工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事地下水監測儀器的開發與應用工作的研究。