基于无人船的物联网水文测报系统方案研究

基于无人船的物联网水文测报系统方案研究

吴春祥1孔繁军2

（1.广州工程技术职业学院广州510075）（2.中国船舶重工集团公司第七一九研究所武汉430064）

为监测目标水域的水文数据，对采用无人船技术的智能化水文测报系统方案进行了研究，提出了一种基于无人船的水文监测终端设计，借助4G无线网络与岸端水文数据监测中心共同构建一个智能化的水文自动测报系统。完成了水位数据的测报模拟实验，并对水文监测中心收集到的测报数据进行了初步分析，结果表明本研究方案能较好地解决水文数据测报问题，具有可行性与应用推广价值。

无人船；水文监测；4G无线网络；智能化；传感器

Class NumberU644.8；TP302.1

1 引言

洪涝灾害和水质污染危害着社会安全及民众健康，成为了困扰经济发展和社会生活的一个难题。通过网络信息化技术实现的智能水文自动测报，实现全天候、无人值守的情况下，监测目标区域的水文数据，对预防水灾害和保护水资源有着重意义。很多现有的水文测报系统都普遍存在智能化低、实时性及可靠性差等问题［1～2］。笔者研究了一种基于无人船的水文测报系统方案，提出了一种基于无人船的水文监测终端，借助4G无线网络与岸端水文数据监测中心共同构建一个智能化的水文自动测报系统。该方案可实现水文数据的主动上报与请求查询两种工作模式，提高数据采集精度与数据报送准确度，从而提高了水文测报系统的智能化程度与稳定可靠性。

2 系统设计

本文所研究的基于无人船的智能化水文测报系统，由位于无人船端的智能水文数据监测终端、岸端岸端水文监测中心和通信网络组成，如图1。无人船端集成所需要采集数据类型的智能传感器［3］。监测中心配有多台数据收发工作站与数据存储分析服务器，配置有水文数据库。监测中心内部是工作站与服务器组成的局域网，通过交换机与4G无线路由器进行有线与无线冗余连接，再借助无线路由器与无人船监测终端进行数据收发［4～5］。

相比许多现有的水文测报系统，本文的研究方案具有以下创新和优势：

1）采用无人船技术，提高了水文监测终端的可覆盖范围。

2）利用智能传感器技术，提高了水文监测的智能化程度。

3）利用4G移动通信网络技术，提高了数据传输速度和可靠性。

3 关键技术研究与设计

3.1 无人船数据采集技术

为了实现无人船对智能传感器的数据采集，开发了一个与无人船控制系统集成的数据采集模块，该模块硬件是Cortex M3开发板的基础上，扩展了传感器数据采集、4G通信模块而成［6～7］，如图2。水文数据采集过程是通过Cortex M3微处理器的GPIO口实现脉冲波的发射，完成对超声波回波的检测与接收，发射电路通过脉冲从超声波发射器上发射出去。接收电路接收反射回来的超声波信号，给微处理器一个下降沿信号。微处理器收到该信号后产生中断，进入相关中断处理服务程序，计算出超声波传感器到水底的距离［8］。

3.2 超声波水位测算技术

超声波水位测量技术是通过向传播介质中发射一个超声波，经过目标反射后接收其回波，并检出其中所携带有关目标的信息，用于确定目标方位与距离的方法［9］。当超声波发生器发出超声波开始计时，超声波经空气传播至目标，再反射后传播回超声波接收器后停止计时，计算超声波从发射地到目的地往返时间ΔT。

然后由式（1）算出超声波发射地与目标之间的距离L［10］。

其中c为超声波在空气中的传播速度。然而在实际测量过程中，超声波在空气中速度受环境温度T影响较大，需要进行温度补偿。实际传播速度c通常由式（2）进行修正［11］。

3.3 无人船端的数据报送

无人船向监测中心自动上报数据，和监测中心向无人船定时查询两种工作方式。自动上报方式。按设定的数据上报周期，通过无人船的4G通信模块向中心站的发送数据［12～13］。数据采集的前提条件是获得数据采集信号量，然后从数据缓冲区中读取采用频率值。在获得数据采集信号量后，打开数据采集设备，对水文数据进行采集，如果采样时间到，则关闭数据采集设备，停止本次数据采集。中心站监测管理软件，按设定的时间周期读取出并分析处理后将所采集的数据存入水文数据库。定时查询工作方式下，监测中心通过4G无线路由器向无人船发送采集命令，请求采集数据。无人船端接收来中心站的请求命令并解析，则向中心站返回待查询的数据。

数据接收的前提条件是获得无人船控制端在线信号。在获得信号量后，对命令进行解析。从中心站接收的命令分为三类包括：设置查询数据量命令、设置采样频率命令和数据查询命令。无人船数据采集终端接收到设置命令后，将改变数据采集频率、数据动态缓冲区大小。

数据发送的前提条件是同时获得无人船在线信号量和采集完毕信号量和。在获得这两个信号量后。数据发送线程将按照中心站命令要求的数据量发送数据，每次写入最大的数据包为1024字节，超过1024字节数据做下一包发送，最后发送小于1024字节的数据包。

4 系统测试方案

4.1 系统测试步骤

在目前研究阶段，系统测试是将装配6个水位传感器的无人船模型，停舶在水深2m处的实验水池中进行模拟实验。测试步骤如下：

1）设置4G无线网络通信参数、检查网络连接，建立无人船端通信模块与监测中心数据采集分析服务器的连接。

2）无人船停泊到预定位置，开启水位传感器数据采集功能，将测量数据，通过4G网络传送到监测中心。

3）监测中心服务器上的无人船水文监测系统软件，接收来自无人船数据监测终端的数据，如图3。

4.2 测报数据分析

无人船终端采集到的水位数据存入监测中心水文数据库后，反复从实验中的提取水位数据，每次随机选取N个水位测量数据作为样本（如表1），然后通过数理统计方法对数据进行分析。

表1 水位数据样本表

根据式（3）、（4）［14］，对表1中的样本数据的进行数理统计分析。

对这组数据样本统计表明，测量数据服从μ= 1.99989，σ2=7.79×10-6的正态分布N(μ，σ2)。用1.99989作为样本均值，偏差小于7.79×10-6。

通过以上分析表明，本研究方案的系统测试中无人船监测终端在待测点附近测量的水位深度近似值约为1.99989m，误差小于1×10-5。此外，如果向无人船终端配置更多的水位传感器，可以使数据采集精确度进一步提高。

5 结语

本文提出了一种由无人船监测终端通过4G无线网络与监测中心一起构建的基于无人船的智能化水文测报系统设计方案。该无人船监测终端能主动向中心站主动上报数据，也能响应监测中心的数据查询请求。本研究方案实现了监测中心对无人船端的水文数据的采集、接收、存储、分析等功能。由于研究条件所限，目前方案测试是在模拟化的实验环境进行，首先完成了水位数据的测报。经过反复实验分析，在模拟环境下系统运行良好，数据采集较为精确，数据发送与接受误码率低，达到了预期研究目标。下一步将增加智能传感器对于降水量、水流速、水温度、水质含量等数据进行采集与测报，以及远程监测与预警功能。

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Scheme Research on IoT Hydrological Measuring and Reporting System Based on Unmanned Ship

WU Chunxiang1KONG Fanjun2
（1.Guangzhou Institute of Technology，Guangzhou510075）（2.No.719 Research Institute，CSIC，Wuhan430064）

In order to monitor the hydrological data on the water area，a scheme on hydrological measuring and reporting sys⁃tem is introduced in this paper.By using 4G wireless network，unmanned ship monitoring terminal and monitor center onboard are connected and making up a intelligent hydrological data measuring and reporting system.During the research processing，the author implements the simulated experiment of water depth，and analyzes the result data of water depth stored on monitor center database which gathered from unmanned ship terminal.The conclusions indicate this scheme can well resolve the problem of hydrological measuring and reporting，and have the good practicability and application value.

unmanned ship，hydrological measuring and reporting，4G wireless network，intelligent，sensor

U644.8；TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.032

2017年2月8日，

2017年3月23日

广东省公益研究项目-智能交通系统交通流优化与诱导关键技术研究（编号：2014A010103002）资助。

吴春祥，男，硕士，工程师，研究方向：物联网技术。孔繁军，男，博士，高级工程师，研究方向：嵌入式系统。