基于傳感器的遠程水文監測系統的研究

李志中 謝云

（廣東東軟學院，廣東 佛山 528225）

一、概述

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

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

二、系統功能指標

前面已經提到了，由于軟件系統開發商不同，使用的硬件設備也有差異，中心數據庫存儲結構不一致，造成了多個方面的不統一，給國土城建和水務局的統一管理帶來了很大的麻煩和困難。因此，開發并應用一套統一管理和維護的水文監測系統已十分的必要。該系統的功能指標如下。

（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）數據規范集中存儲

設計一套統一的規范化數據存儲格式，用于存儲通過遠端設備采集回來的數據，并集中存儲，以便對其進行分析、統計。

（三） 數據采集功能

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

（四）水情監控功能

對采集回來規范存儲的數據，進行分析、統計，實現水情監控功能。包括水情監控、雨情監控、臺風監控、防汛調度等等。

（五）遠程監控終端管理

能對遠程監測終端（雨量測量儀、水位計等）進行統一的管理，并提供遠程監測終端的配置功能。

三、系統性能指標

系統總體規劃即對全局問題的設計，也就是設計系統總的處理方案，又稱概要設計。包括計算機配置設計、系統模塊結構設計、數據庫和文件設計等等。

根據系統業務需求，和實際部署的運行環境，可以將系統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、數據匯集平臺、綜合數據庫、服務支撐、業務應用、統一門戶六個部分組成。

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

（二）數據匯集平臺：實現相關數據的采集、解析、匯總，保護數據的一致性、規范性。

（三）綜合數據庫：綜合數據庫主要包括業務數據庫、空間數據庫、數據資源管理。數據庫是應用系統的信息支撐，用于存儲和管理各專業應用所需的數據，為業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。服務支撐位于數據資源之上，統一管理各種系統資源，為上層的業務應用提供技術支撐服務。

（五）業務應用：遠程水文監測系統的建設將涵蓋區水文監測管理的主要業務范圍，將其信息化并綜合展現。

（六）統一門戶：功能子系統是將系統的業務應用集中到一個服務平臺上，通過單點登錄，實現應用的入口統一。

四、系統體系結構

依據統一的標準，可以建設一套標準的遠程監測終端系統，集數據采集、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測現場。

（一）硬件部分

遠程監測終端系統硬件部分包括：信號感知模塊（傳感器）、數據采集模塊、數據存儲模塊、無線數據通信模塊、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。

系統選用的傳感器，必須是經過鑒定符合技術標準、計量標準的正規產品，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、行業標準的要求。

（二）軟件部分

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

遠程監測終端系統的功能包括：

通信功能：支持GPRS、APN、短消息、衛星等多種通訊方式；支持與多中心進行數據通信；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、脈沖表的流量數據；采集水泵或閥門運行狀態、設備供電狀態和箱門開關狀態。

圖片抓拍功能：可外接工業照相機，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：支持遠程參數設置、程序升級。

報警功能：監測數據越限，立即上報告警信息。

存儲功能：本機循環存儲監測數據，掉電不丟失。

五、中心監控軟件系統

中心監控軟件負責各個遠端監測終端的管理與配置，對遠端監測終端進行數據采集、存儲、查詢、統計、分析、上報，并建立數學模型，提供管理層的決策依據。具體可以分成兩個子系統：數據采集子系統、水情綜合監控管理子系統。

中心監控軟件系統模塊結構如下圖所示：

六、系統部署方案

水務部門的水文數據作為三防的重要信息，可以其他部門進行共享。遠程數據采集是通過GPRS APN網絡進行的，所以采集數據存儲在政務網采集數據服務器中。而政務網通過開放數據接口，提供數據給各水利部門使用。系統部署圖如下：

七、結論

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

（一）遠程水文數據采集軟件一套（軟件）（包括：數據采集與水情綜合監控兩個子系統）；

（二）信息管理及中心數據庫存儲結構規范一套（文檔）（包括：基礎類、信息采集與傳輸類、數據資源類、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）。