物聯網技術下的水文智能監測信息系統建構和應用

?？〕?常肖杰

（河南省水文水資源局 鄭州 450003 河南省許昌水文水資源勘測局 許昌 461000）

1 研究背景

我國水文監測起步較晚，與發達國家還存在一定差距?；诖藨谒谋O測工作中積極開展水文數據自動監控研究，提升水文預警預報成果的質量和精度。在水文監測工作中積極開展水文數據自動采集課題的研究，提升水文預警預報成果的質量和精度，不僅能夠降低水文測驗工作人力物力成本，而且能夠有效提升水文監測智能化水平。因此，對物聯網技術下水文智能監測信息系統建構研究有著重要的實踐意義與應用價值。

2 系統總體架構

物聯網連接技術在短短的數十年間，已形成突飛猛進、百花齊放的局面。從傳輸距離較短的WIFI、藍牙、RFID、ZigBee，到低功耗廣域網NB-IoT、LoRa、Cat.1 等，日新月異的連接技術，將萬物互聯的理想，從遙遠的未來帶到了現實。隨著5G 時代的到來，物聯網已經開始滲透到人們生活中的方方面面[1]。據GSMA 預測，到2025年，全球物聯網連接數將達到252 億。在水文監測領域，對物聯網技術的應用主要體現在水文數據采集、傳輸和智能控制等方面。本系統借助物聯網數據傳輸體系，實現對水文數據的自動采集和快速處理，系統架構如圖1 所示。

圖1 物聯網技術下水文監測信息系統總體架構圖

3 物聯網技術下水文監測信息系統實現

3.1 系統硬件監測平臺設計

結合當前我國水文條件，在設計物聯網水文監測硬件系統時，應覆蓋水文數據采集終端節點、網關路由節點以及遠程條件下中心控制節點等，每個模塊都有自己獨特的功能，其硬件拓撲如圖2 所示。

圖2 物聯網水文監測信息系統拓撲圖

作為水文監測系統的硬件基礎，水文數據采集終端節點主要構成為水文監測傳感器節點，其主要用于對各項水文監測數據的采集，具體包括水溫、pH、水位等，需要注意的是該節點功能的實現需要借助于數據采集模塊，即各類傳感器。在傳感器作用下，水文數據在終端節點會轉變為數據調制信號，發送至網關節點，這個過程需要由終端節點作為依托。

網關路由節點則是系統硬件的關鍵部分，其主要功能為對水文監測區域子網段、物聯網進行協調組網與信息處理?；谧泳W段應用環境的不同，其目的及重點也呈現出明顯的差異性，因此，為了避免不同子網段的干擾，需要單獨對各個子網段進行設置。在具體應用中，網關路由節點不僅能夠及時對路由表進行更新，而且能夠對查詢命令定時發送[2]。所獲得的各項水文信息數據也能夠通過網關路由節點完成分析與處理，所得的結果保存于嵌入式數據庫。另外，為滿足大范圍水域監測的需要，可以引入星型拓撲方法對網關路由節點進行設計。

作為硬件系統的中樞，遠程中心監控節點主要用于對不同監測區域收集水文數據及參數的總結與處理，結合統計分析結果，提出具有可行性的意見與建議。其主要由大規模磁盤陣列以及高性能工作站服務器構成，在水文監測期間，遠程監控中心發出指令，在網關節點激活終端傳感器節點，然后根據指令的要求采集水文參數，然后再通過網關節點向遠程監控系統發送，經過統一匯總整理，發出控制指令。

3.2 系統軟件設計

我國幅員遼闊，地形、氣候多樣，水文相關要素有著明顯的差異性，這也在一定程度增加了水文監測的復雜性，使水文環境監測信息系統功能呈現出多樣化特點。為保障水文監測信息系統的擴展與升級，需要預留一定的軟件接口，便于連接各個不同的模塊，在利用物聯網技術設計水文監測信息系統時必須堅持一致性、模塊化原則。本研究采用Linux 操作系統對節點進行開發，該系統能夠保障穩定的網絡通信，與此同時還具有源代碼開放的優勢[3]。結合水文監測作業的實際情況，此次研究選擇Linux操作系統作為系統終端節點，其為最小嵌入式，普通嵌入式作為網關路由節點，完整的Linu 系統則為遠程中心監控節點。軟件平臺設計如圖3 所示。

圖3 系統軟件平臺結構圖

需要注意的是軟件平臺設計要滿足以下兩個目標：（1）要注重實現資源的最大化共享。系統開發過程中，要結合試驗區的實際情況，統籌兼顧，水文信息要多方共享，防止出現信息孤島，在現代互聯網信息技術支持下，網絡資源、信息資源共享已成為不可阻擋的趨勢。（2）將實用性、開放性、可靠性作為目標。系統設計要具有可操作性，且能夠真正為水文監測工作提供便利。所設計的水文監測信息系統要保障在汛期、地理位置偏僻等各類情況下，以及面對各種突發狀況都能夠正常運轉。其次，保障系統實用性、可靠性基礎上，要引進先進的技術，軟件、硬件以及通訊技術的選擇要優先選用先進的，確保其能夠保持高效、穩定運行。另外，在系統接口設計、信息接口設計時要制定統一的標準，形成一個有機整體。軟件系統設計要遵循結構化、模塊化以及標準化的原則，以為后期擴展、調整提供參考。需要注意的是界面設計要清晰，采用標準接口，在保障完整性的基礎上，提升其靈活性。

4 物聯網技術下的水文智能監測信息主要模塊

4.1 水位傳感檢測單元

對水位傳感檢測主要利用的是光電編碼技術以及浮子式原理，電路設計選擇低功耗電路，智能化設備不僅能夠實現對多種數據的處理與傳輸，而且具備光、電、機等多種高科技技術，在水位計編碼器作用下實現光電轉換，實現輸出軸角位移向相應數字量的轉換，并由CPU 進行數據處理。碼盤在轉動狀態下能夠輸出二進制編碼，且輸出數據與碼盤旋轉位置相對應，該過程能夠幫助明確絕對位置。經過CPU 處理后，在數據輸出端口將水位高程數據傳送到智能測控傳輸單元。該設備輸出功能強大，能夠為水位實時監測、報警提供可靠的依據，不僅體積小、量程大，而且能夠實現精準跟蹤測量。

4.2 智能測控傳輸單元

首先是完成水環境系統中各類數據、監測數據的信息采集。例如，地下水監測井等的位置、井深、高程等信息，通過物探等方式，錄入地理信息系統（GIS）平臺中，實現GIS 化；通過物聯網（IoT）等技術，將地下水監測井的水位、水溫、水質等要素信息，通過物聯網實時、自動地傳輸到數據庫平臺中，實現實時監測。其次，結合GIS 數據信息及實時監測數據，根據水利行業業務應用的實際需求，開發業務平臺。即在數據信息化的基礎上，結合業務需求，實現業務的信息化。通過信息化，簡化了數據采集和業務處理的流程。智慧水文的第二個層次是智慧化，智慧化的核心是數據分析能力。該階段針對現有信息、數據的統計分析，將極大地輔助完成決策支持。

4.3 業務應用單元

目前，基于物聯網技術的智能監測信息系統得到廣泛應用，比如水雨情遙測系統，水雨情前端遙測站點采用翻斗式雨量計，關鍵部位采用金屬零件，長期野外運行也不易發生老化生銹和變形，抗靜電性好，抗塵埃性能強，測量精度高，測量精度與雨強呈現出明顯的線性關系，穩定可靠性強。采用太陽能供電，因此設備要具有低功耗特點，實現對本遙測站點雨情雨強的實時在線監測，及時響應監控中心節點指令，通過物聯網傳輸遙測雨水情數據。

5 物聯網技術下的水文智能監測信息系統評測

由于各個節點無線網絡通信信號在傳輸過程中存在衍射以及反射情況，會導致多徑效應出現，再加上系統節點部位的環境較為復雜，故在此水文數據信息監測過程中，可能會導致系統網絡通信質量受到很大影響，使水文數據信息監測分析預報不及時和不精準。在對上述硬件以及軟件系統科學構建之后，為保證該水文監測系統能夠穩定、高效運行，需分別對系統監控中心分析軟件和水文采樣模塊、網絡層參數評估模塊、數據鏈路層參數評估模塊等各個運行模塊的功能進行實時評測，以提升水文監測系統測試數據的科學性，評測測試流程如圖4 所示。

圖4 物聯網技術下的水文智能監測系統評測測試流程圖

6 結語

物聯網技術下的水文智能監測信息系統應用于遠程監測河道、水庫水位流量和水質在線分析、雨水情遙測、地下水在線觀測、遠程視頻監控等場景，基于本構建的水文監測信息系統通過在本單位推廣應用，取得了較好效果，各級防汛指揮、水資源管理、水生態保護管理機關可通過各業務應用系統及時掌握河道水位流量、水庫水位、降水、地下水埋深等水文要素數據，實現對水文監測數據的存儲、查詢、統計分析和各種形式的展示。但各業務應用系統各自獨立，數據不通，在數據價值挖掘和智慧應用、輔助決策方面，尚顯不足。對智慧水文應用的探索，將是水文信息化今后一個階段持續努力的方向