多要素智能RTU設備系統研發及在水利行業中的應用

孫晶晶 高 原

一、引言

目前安徽省內各流域內防汛樞紐以及河流河道大多都已配備自動化監測系統，部分地區還是以人工觀測上報方式獲取數據，所提供數據的準確性和及時性與決策層所需相差甚遠。現有自動化系統監測功能單一，監測水位、視頻、水質等參數都采用獨立的系統，無法實現數據融合及共享，隨著水利工程管理要求的不斷提高，河長制、湖長制等新政策新制度的推行，以及水利信息化的不斷發展，水利管理手段必將向智能化、智慧化方面不斷進化，因此對數據跨界融合的要求也越來越高。但由于種種原因，各種數據分散于不同口徑、不同部門，數據完整度低，調用復雜，難以匯總、融合、利用。

本研究介紹了研制一種多要素智能RTU設備，可以兼容多種采集設備的RTU設備，包括采集水位、水質、雨量、風速、溫濕度、視頻等參數，并搭建流域性數據綜合分析平臺及手機移動查詢平臺。在一定程度上節省了成本開支，實現了數據融合及共享，使水管單位在管理手段上更加智慧化、智能化。

二、系統結構與采集流程

1.系統結構

多要素智能RTU設備系統主要由遙測站核心控制、中心站監控中心兩個部分構成。遙測站核心控制部分為智能遙測終端RTU ；中心站監控中心部分包括數據綜合分析平臺、移動查詢平臺、監控服務器等。該系統的核心主要開發了遙測站智能終端RTU和數據綜合分析平臺軟件。智能遙測終端RTU設備可外接具有485通訊接口、4～20mA接口，HTTP協議等通訊類型的傳感器，定時采集水位、水質、風速、視頻等信號數據至中心站，監控中心的數據綜合分析平臺軟件完成對數據的處理統計及分析；智能遙測終端在硬件方面，配置了蓄電池及太陽能電池板，并采用低功耗設計以滿足野外長期工作的需要，即使沒有外電的情況下也可以使用。在軟件方面，并實現了水位、水質、風速、視頻等自采集、計算和傳輸的程序設計。支持不同傳感器的數據處理，并采用不同的計算模型計算實時數據，并將數據采集入庫，在數據綜合分析平臺展示，可以通過大屏顯示終端顯示，并開發對應手機終端移動查詢平臺進行數據檢索查詢。

2.采集流程

以多要素智能RTU設備系統應用在防汛抗旱監測系統為例，如圖1所示，將多要素RTU設備安裝在水位井房內，將各類通訊接口的監測傳感器（水位計、水質監測儀、攝像頭、溫度計等）接入到RTU，進行數據監測和采集，并通過解碼運算，通過傳輸層（光纖/無線電臺/WIFI/GPRS）將數據發送至遠端智能井房系統平臺，并可以將界面展示在中心站的大屏展示平臺系統中。

三、多要素智能RTU設備系統設計

1.多要素智能RTU設備結構與特點

安徽省水科院自主設計開發的多要素智能RTU設備是基于工業級32位微處理器的智能遙測終端機。智能遙測終端機主要由微處理器單元、串口通信單元、網絡接口、USB 接口等組成，多要素智能RTU結構框圖如圖2所示。智能遙測終端具有以下功能：定時采集、存儲、傳輸、斷點續傳、遠程參數讀取（方便維護）、SD卡存儲、多系統維護（遠程控制功能）。 智能RTU的使用，大大提高了水位站遠程監測系統的智能化。

設備在研制過程中結合其他廠家RTU設備功能及特點以及現場使用的實際需求不斷改進，考慮到傳輸數據量大，及傳輸的可靠性及費用問題，采用光纖、WIFI、GPRS等多種網絡方式通信；安裝在野外，考慮到供電及避雷問題，采用市電及太陽能蓄電池兩種方式，確保在斷電情況下RTU設備能斷電運行2天，并配備避雷裝置及電源保護器；考慮到數據傳輸的穩定性，在RTU上加載自主研發的具有智能糾錯算法的專用芯片，以保障得到的數據資料實時精準。具備自檢功能，一旦設備出現死機情況將自動重啟，并具備定時重啟功能；考慮到外接設備接口及通訊模式的多樣性，多要素智能RTU設備兼容485信號、4-20MA電流信號、視頻信號等。

圖1 信息采集流程圖

圖2 多要素智能RTU結構組成圖

圖3 手機移動查詢平臺軟件圖

2.數據綜合分析平臺軟件

該系統主要采用JAVA和.NET程序開發，系統兼容性高，在任何操作系統下都能正常運行，且后期添加刪除功能模塊可操作性高，后臺數據庫采用常用的SQL數據庫，與上級主管部門的大數據融合簡易便捷，且使用B/S架構，用戶可以遠程登錄瀏覽，為水管部門的管理工作提供了便捷。

系統界面設計以簡潔為主，以“一頁”的方式將所有的功能以及參數都展示在操作界面中。監測系統軟件將水位井房內設備監測的參數值（水位、電壓、溫度、濕度）以柱狀圖的方式展示，界面右上側為實時視頻監控圖像及各參數的實時監測值。界面上側為基本信息，包括GPRS信號強度及連接狀態、時間信息等。軟件同時提供數據按照年月日查詢、數據輸出、生成報表、聯網打印等功能。同時后臺數據庫結構設計與上級水管部門一致，在互聯網+飛速發展的時代，數據可以與上級主管部門交互傳輸。

該系統功能主要有：（1）實時監測水位井房內的各項參數，并自動錄入后臺數據庫，采集頻率最快0.1s一組，實時性高。（2）實現多項數據的監測、采集與處理。這些數據包括水位、電壓、溫度、濕度、視頻圖像等，要素多樣。（3）數據錄入庫表結構設計與上級主管部門數據庫表結構一致，數據可以與上級部門交互傳輸，兼容性好。（4）該系統也適用于農田灌排試驗、水文地質指標、河長制等領域的定量研究，應用領域廣。

該系統可實現在水位井房全過程實時監控與管理；控制方式靈活，采用Windows操作系統，可視化、直觀性強，人機界面友好，操作方便。

3.手機移動查詢平臺軟件

手機移動查詢平臺軟件采用JAVA及XML開發制作，系統支持安卓及IOS系統的訪問瀏覽，系統平臺軟件界面如圖3所示。系統主要對水位井房的監測信息進行查詢瀏覽以及數據報表的查閱。

移動查詢平臺軟件的用戶對象為水利管理部門人員，具有以下功能：

（1）信息瀏覽功能

管理單位人員通過分配的賬號登錄手機移動平臺端，可以瀏覽其權限下水位井房的工況基本信息，包括水位、溫度、濕度、電壓、報警信息等。通過手指點擊與滑動，也可查閱該參數的歷史數據，其他相關信息一目了然。

（2）信息查詢功能

用戶可通過點擊“歷史數據”，查詢水位井房相關參數的歷史數據，按照日、月、年對某參數值進行查詢瀏覽等，數據以報表以及曲線的方式展示。

（3）數據自動更新

數據更新功能是在用戶登錄系統后，對工程數量進行新增及對某個工程的參數進行修改的功能，從而能夠更好地保證數據更新的實效性及工作效率。

（4）隨手拍

隨手拍是手機客戶端的一個特色功能，為用戶提供一個實時上傳當前情況的端口，各級用戶可以通過空間查詢的圖片顯示功能查看到當時用戶上傳的實時圖片，讓用戶隨時隨地查看現場情況。

（5）數據在線上傳與下載

借助智能移動終端的多媒體功能，結合移動通訊（4G或無線網）技術，實現數據采集、無線上報等功能。為了保證手機客戶端與網頁客戶端的數據一致性，手機端編輯的數據需要上傳到網頁端，同時網頁端的更新也要下載到手機端。

四、總結與展望

本文介紹研制一種多要素智能RTU設備，可以兼容多種采集設備的RTU設備，包括采集水位、水質、雨量、風速、溫濕度、視頻等參數，并搭建數據綜合分析平臺。在一定程度上節省了成本開支，實現了數據融合及共享，使水管單位在管理手段上更加智慧化、智能化。

該系統以最基礎、最前端的信息采集設備為抓手，著眼于實現多方位跨界數據的連續監測和記錄，并運用大數據推演和機器學習智能分析算法對未來可能發生的情況進行模擬分析，并在水位井房成功運用，相信以后可以為河長、湖長等決策層以及其他行業提供真實可靠的數據服務