北斗定位的人工智能水文環境信息監測系統研究

呂大勇

山東省威海生態環境監測中心

1 引言

我國的水利資源十分豐富，夏季降水量大，加之近年來氣候異常導致洪水多發，造成巨大的經濟損失，嚴重威脅人們的生命安全。當前我國的防洪抗災工作主要問題就體現在預報不及時和水文信息的缺失，并且存在測量的精確度不足問題，不能為監測人員提供及時、詳細地水文變化數據。所以需要建立新的水文監測系統，提升監測系統的智能化水平，進而提升我國的抗災減災能力。目前借助人工智能水文監測模塊，基于傳感器和4G通信網絡，然后利用云服務器進行數據處理，以手機為顯示終端，可以設計出滿足于水位監測、水位預警等功能為一體的水文信息監測系統。

2 人工智能水文環境信息監測系統研究的意義

近年來，我國的地質災害和洪澇災害頻發，嚴重威脅著群眾的生命安全，造成了巨大的經濟損失，盡管災害發生后政府全力開展救援工作，但是預報不及時和水文信息的問題始終沒有有效解決。如果在河流水沙災害發生之前對各種水文信息掌握，實現對信息的在線監測，可以讓水利和抗災部門及時掌握水文特征，提前做好預防措施，減少重大災害的發生概率，所以說建立出功能齊全、可靠性好、操作方便的水文監測系統有著深遠意義[1]。

在工業化進程不斷推進的背景下，水資源短缺以及水污染問題引起社會的廣泛關注，該背景下我國的水文環境信息監測工作取得了一定成效，傳統的水文監測主要分析降水量、蒸發量、地表徑流和地下徑流，而水資源監測還包括地表水、地下水、空中水的利用情況和污染程度，利用監測數據評價水資源和未來的水資源變化趨勢，進而提升水資源利用效率。全球定位系統是當前水環境分析主要的技術支持，而北斗系統是我國自行研制的全球衛星導航系統，可以提供全天候、全天時、高精度的定位，借助北斗系統可以實現監測水文控制站、遠程管理、遠程數據提取、固態存儲，并且利用系統發送和補發數據，通過水文數據平臺為誰環境治理提供巨大幫助，其中包括提前預測臺風、洪水等自然災害，調節河流水壓等。

3 影響水文監測的因素

當前的部分地區水文監測站在水文監測中會借助人工觀察的方法，水文數據的上報也依靠人工，存在上報的數據不準確和不及時問題，及時一些水文監測站配備了水文自動測報裝置，但是精確度、穩定性和智能化水平都不理想，所以傳統的水文測報方法已經不能滿足防災和抗災的要求。而遠程的水文監測系統可以對水文信息的基本條件、影響因素全面分析，對區域內的水庫、河流監測點中的水位、流量、水質等信息實時采集和傳輸，有利于對水資源的合理利用，可以提升預測洪澇災害的準確性，有利于分析出洪澇災害的發生規律。

水文監測的影響因素，包括自然因素和人為因素，其中主要包括降水量、水位、流量、水質、環境為年度和濕度、風力等自然因素，對這些因素分析是保證水文災害預防的基礎和根據。在遠程監測終端實時監測水位、流量等信息，然后轉化成數據傳輸到北斗通信模塊的遠程數據監控中心，詳細地分析出該流域水文動態變化情況。在北斗通信系統下的數據傳輸具有速度快和準確性高的優勢，可以讓水利部門第一時間對河流管理，進而提升水利部門的工作效率[2]。

4 北斗通信模塊的相關內容

“北斗”是我國獨立研制的全球定位系統和通信系統，是世界上繼美國和俄羅斯之后第三個具有完善的衛星通信和導航系統的國家，該系統對我國國防建設以及社會發展都起到了積極的推動作用，同時可以向全球用戶提供導航和定位服務，自2003年建立了衛星導航實驗系統之后，2012 年開始向亞太地區用戶提供服務，2020 年已經全面建成北斗三號系統。北斗系統憑借實時導航、快速定位以及位置報告等功能可以用于多個領域中，對我國水利事業的發展同樣起到了促進作用。

北斗定位下的水文環境信息監測系統包括了傳感器、傳感層和應用層三個部分，可以對水位等水文環境參量監控，具體流程為控制板、4G DTU、基站、后臺服務器、手機APP，其中傳感層包括了大氣檢測傳感器、水位傳感器、氣象傳感器，不僅可以獲取8個物理量，還可以對監測點的位置信息獲取。在傳輸層的組成部分包括無線傳輸板塊、開發板、串口屏，在應用層包括了云服務器和手機APP，為相關人員及時分析環境信息以及查詢歷史數據提供幫助，還可以人工智能預測水位，目前北斗系統下的水文環境信息監測系統已經十分成熟，可靠性好[3]。

5 如何進行系統的硬件和軟件設計

5.1 硬件的遠程監測終端設計

在人們生產和生活中，大量的污染物被排放到空氣中，導致厄爾尼諾現象出現，隨之也導致我國的氣候異常，夏季頻繁出現暴雨以及洪水災害，利用當前的水文監測系統存在自動化水平偏低的問題，在我國使用遠程水文監測系統還不普遍。隨著對北斗定位水文環境監測系統打造，可以提升監測效果，對區域內的河流遠程監控，采集到相關的數據，該系統包括遠程監測終端、北斗通信模塊和遠程控制模塊，具體說來：在遠程監測終端中，利用現場總線、無線傳感器節點、無線通信模塊、遠程水文監測模塊分析出水位高度、水溫和流量的看具體數值，然后以信息的形式向遠程操作模塊發送水文信息。在北斗通信模塊中，設置端口和現場的RTU連接，進而接收到現場的數據，之后利用北斗通信模塊把數據傳輸到上位機，使得監控中心獲得更多數據。在遠程控制模塊，監測中心的管理人員可以借助終端訪問不同河流的水文數據，比如定時發送水文信息和警告，憑借其強大的功能可以為抗洪指揮提供巨大幫助。

比如水傳感節點的硬件設計中，MCU利用GH2201芯片，北斗采用NMEA-0183通信協議，可以將精度控制在2.5m，30s即可收集到信息，水文監測系統的傳感節點包括以下兩個功能，其一是利用傳感器獲得水位和溫度等信息，然后利用北斗模塊確定地理位置。之后可以把獲得的數據借助串口發送到顯示屏，數據也會同步傳輸到4G DTU模塊，最后傳輸到后臺服務器[4]。

5.2 軟件的遠程監測終端設計

在北斗系統中，進行遠程的水文監測軟件包括了主程序、溫度程序、液晶驅動程序、水位監測信號發射額和接收、北斗數據傳輸等部分，其中在主程序的流程設計中，流程依次為：遠程水文監測終端各模塊的功能設置，北斗模塊的點火、液晶初始化，將固定內容顯示在LCD、計算溫度值、計算傳播速度。在溫度程序設計中，由于水位的監測信號會受到溫度的影響，所以要考慮到溫度補償，在該程序中利用到DHT11傳感器，流程包括系統初始化、DHT11初始化、發出信號、讀取DHT11溫度和濕度數據、顯示溫度和濕度數據。在液晶程序顯示程序設計中，利用LCD 1602型液晶點陣字符模，對水溫、濕度等數顯示，流程為：主程序調用LCD初始化參數，調用指令函數。

在水位信號發射程序設計中，利用40KHZ 超聲波、反相器4069 可以得到脈沖，流程如下：主函數調用40KHZ 超聲波發射子程序、輸出、關閉總中斷、將CCP模塊設置為輸入捕捉模式，開啟總中斷，開啟定時器。在水文華近景監測的軟件設計中，需要設計出服務器和移動端APP，其中包括了人工智能水位預測、預警功能、展示功能以及歷史數據查詢，在操作系統下，利用安卓和JAVA語言打造移動端APP，在環境的監測中包括了圖標模式和地圖模式，直觀地展示出觀測點地理位置和圖標模式，體現出水位、風向、氣壓、雨量以及PM2.5，在圖標模式下還可以發現實時數值，在水位超高時可以發出警報，此外，在歷史的數據查詢中可以與以往同期的數據對比。借助人工智能的水位預測，可以對數據深度學習，預測出未來7天的水位變化情況[5]。

6 水文環境信息監測系統的調試

在北斗系統的衛星遠程水文監測系統發射和接收水位監測信號，在安裝硬件系統時可以保證其平行于兩個轉換器的中心線，之后蜂鳴器會發出聲波信號，并且接收模塊利用殼遮擋，以此具有良好的抗干擾能力，對水位數據的測量更加準確。在制作好硬件電路之后，將一些數據下載到控制器，根據調試的結果對顯示數據修改，調節定時器的時間，可以得到更加優質的脈沖信號，測量的精確可以達到0.01m。在系統的軟件調試中，基于北斗衛星的遠程水文監測系統護利用到很多的軟件，并且在調試的過程中較為復雜，要想對水文狀態實時監測，就要是對數據的遠程傳輸重視起來，分析程序是否存在錯誤，然后合理調整，最終保證程序的可靠性。通過以上分析，可以發現，利用人工智能技術對水文環境監測可行，在水文環境系統的測試中，主要包括了底層硬件的運行情況以及手機APP的運行情況。通過對采集點的水文信息收集，可以將數據上傳到服務器，之后推送到手機，整個北斗系統的人工智能水文環境監測系統完成[6]。

7 結束語

綜上所述，在本文中對北斗定位的人工智能水文環境信息監測系統進行了有效分析，可以解決傳統的監測數據不準確以及積極式問題，可以測量2.5m范圍內的數據信息，并且在收集數據之后可以在30s搜集到水文信息，體現出在北斗定位下的智能化特點今后還需要對人工智能技術繼續利用，為我國的水文、大氣等領域的環境監測提供幫助，促進環保事業發展。