基于物联网水情测控系统的开发与应用

关智慧　罗章海

摘要：水情监控在水利系统中是必不可少，该文结合实际项目需求开发了一套基于物联网技术的监测手段多样，表现形式丰富的水情系统。

关键词：物联网；RTU遥测终端；DM642

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0038-02

Abstract： Water level monitoring is essential in hydraulic system， combined with the actual needs of the project monitoring method was developed based on the technology of Internet of things is diverse， rich form of water system.

Key words： networking； RTU remote terminal； DM642

1 概述

水资源是经济社会发展的重要战略性资源，水利设施是经济社会发展的重要基础设施。而适当的水情监控则是保障水利设施安全运行的前提，现有的水情监控系统已经运行多年，普遍存在监控手段单一、技术落后等特点。本文结合现在流行的物联网技术现状和实际需求，开发了一套监测手段多样，表现形式丰富的水情监控系统。

2 系统设计

2.1 系统主要内容

根据实际的需求本文设计开发的物联网水情测控系统主要包含软件和硬件两部分。硬件部分主要包括：传感网络终端（传感器）、智能相机、云台、视频水尺、中心服务器、数据传输设备等；软件部分主要包括：智能相机嵌入式程序、工作台上位机软件和服务器数据库软件。技术系统整体分为：感知层、传输层和应用层三部分。通过物联网、图像识别、电子电路、通信等多种技术的综合应用，以实现水情测量信息采集的准确性和全面性（流量、水位、降雨量、闸门控制、山洪预警等）水情控制信息的可靠性，进而从整体上提升水情测控技术的信息化水平，以满足水资源管理信息化建设及山洪灾害防治的现实需要。

2.1技术路线

整个系统主要由传感水情测控终端（视频水尺、RTU遥测终端等），数据传输设备（GPRS、CDMA等），中心服务器，上位机软件组成。从结构上可以将该系统分为感知层、网络层和应用层三个层次。

感知层：利用全方位的感知技术：视频水位计、流量计、雨量计、自动化控制终端、遥测终端、自动化视频监测设备等传感器技术对全区域的闸位管理、通信、动力、照明、交通、水位、实时水情图像等相关信息进行精确感知和实时采集。

网络层：按照当地的实际情况和通信安全策略灵活选择有线网络或者无线网络进行信息的有效传输。

应用层：将系统实时采集的数据与综合调度系统模型相结合，通过防洪调度、流量监测、水位监测、视频监视系统，对流域水情进行实时预报、调度等智能管理。

整个系统可以简单的概括为“应用层——网络层——感知层”。其结构如图所示：

本项目实施重点主要有：1）感知层RTU遥测终端的开发；视频水尺的设计与制作；2）应用层上位机软件、数据库软件的设计开发两部分。

在视频水尺的设计中，传统的水尺在图像处理和编码方面已经不能够满足我们的要求，传统水尺主要有：

1）浮子水位计：简单可靠、测量准确，但配套测井工程造价高，对已经完工的渠道再建测井容易破坏渠底。

2）压力水位计：施工方便，但使用一段时间后容易受水种杂质，泥沙淤堵，影响水位测量的准确度，随时间推移，误差变大。

3）超声波水位计 ：属于非接触测量，施工方便，但受温度和空气密度影响大，测量误差有时候大于水利水文监测的基本要求。

由此可见，目前水位测量上暂时无一种施工方便，测量精度高的，长期可靠运行的水位计。通过我单位技术创新，经过多次试验项目组设计了一款采用具有编码检错功能的新型水尺。在图像处理方面考虑到安装环境的恶劣性、多变性（需要进行全天候观测），要的到满足图像处理要求的适合的图像，就必须保证采集到的图像具有相应的质量。但是现有智能工业相机带自动曝光的很少，为此，项目组设计了一套新的自动曝光算法来控制荧光灯以解决全天候图像采集的曝光问题。

应用层上位机软件、数据库软件开发过程中，通过socket网络通信技术实现对RTU终端的数据采集和远程控制，做到了设备的实时控制、上报数据即传即得。并使用多线程技术处理并发事务，使一套上位机软件可以同时处理和接收多个RTU终端设备的数据。上位机将RTU上报的指令处理和解析后，持久化至数据库，并实现对数据的统计分析，最终以多种报表和图形的方式展示出来。本系统既解决了对于偏远的遥测点采集数据的困难，又解决了纸质数据难保存、人工统计易出错等问题，同时又为决策者提供了直观的数据支持。

3 系统实现

3.1 RTU遥测终端的开发

本文涉及的RTU遥测终端采用rabbit公司的LP3500作为核心模块，自定义设计扩展板。LP3500 是一款微功耗一体化控制器。适合各种野外环境及水文、水质检测。能够在任何有功耗限制的场合下可靠地工作 ，也可应用于移动、手持设备及其它电池供电的系统。高可靠、低功耗、宽温、抗震，具有丰富的I/O接口，灵活的通讯能力，实现远程数据传输。LP3500通过了CE认证，可以在恶劣的工业环境中稳定工作。[1]软件开工具为Dynamic C V7.3，宿主机开发环境为Windows XP或者Windows 7。

本文实现的RTU遥测终端具有如下接口及功能：2个DB9的COM接口，可接RS232和RS485信号；8路模拟量输入接口；2路485输入/输出接口；多路的数字量输入；25针的DI&AO接口；8路采集信号指示灯；可视化人机界面接口。

实现的实物效果图如图2所示。

3.2视频水尺的设计与制作

本文涉及的视频水尺图像处理设备采用TI公司的DM642芯片作为DSP的主芯片进行图像采集处理，DM642全名TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中的定点DSP，具有良好的图像处理能力，良好的灵活性和可编程性，外围集成了完整的音频、视频和网络通信等设备及接口。[2]水尺根据实际的需求采用不锈钢制作，水尺为自定义的制式水尺，与传统水尺的区别为使用格雷码方式来表示水位的刻度值。开发工具为Code Composer Studio集成开发环境（CCS3.3），宿主机环境为Windows XP或者Windows 7。

实现的实物效果图如图3所示。

3.3应用层上位机软件开发

所有的仪表传感器终端的数据都需要通过有线或者无线（GPRS、CDMA、3G、4G）的方式传送至中控室的数据采集工作站。因此，在工作站上需要开发一套对应的多种设备的上位机数据采集程序。本文采用的数据传输模块为厦门四信的F2114数传模块，上位机的软件开发工具为VS2010，宿主机环境为Windows XP或者Windows 7。实现上位机如图4所示。

最后，上位机采集到所有数据通过Web Services的方式上传至部署在服务器上的水情监控平台，该平台通水情过报表、历史/实时曲线、报警事件等方式将各种水情数据合理的表现出来以供分析决策。

4 总结

本文通过物联网技术、嵌入式DSP图像处理技术等的综合应用，设计开发的基于物联网水情测控系统具有准确性、可靠性，可扩展性的特点，现已部署在新疆的南北疆水库和河流的水情管理管控中心。

参考文献：

[1] LP3500 Product datasheet[EB＼OL].www.digi.com 2013.

[2] TMS320DM642 Manual[EB＼OL].www.ti.com 2002.