基于窄带物联网的远程水文测报系统

文/陈小英

远程水文测报系统是一种由传感器、计算机和移动通信等设备构成的系统，它集合了采集、处理、传递功能为一体，是利用自动化水文传感器设备、远程遥测终端(RTU)、网络通信等现代信息技术进行远程采集、传输水文信息的自动化系统。远程水文测报系统能够实现对水利的有效调度，加强对水文数据信息的有效处理，从而促进水文工作的高效率发展，实现防洪减灾的目的。《水利改革发展“十三五”规划》中明确指出，“完善水文监测站网体系，提高自动化监测水平”是完善江河综合防洪减灾体系的重要工作任务。因此远程水文测报系统需要随着科技进步进行不断技术变革创新。

1 国内外研究现状

水文远程测报系统发展的历史经过三个时期，第一阶段为1975年至 1990年，水文遥测系统的工作方式基本采用查询应答式，数据传输方式采用振幅键控、音频滤波、积分判决等调制手段，通信技术十分落后，传输速率非常低，测报数据很少，只能够进行水位雨量的测报，主要运用在小流域上；第二极端为1990 至 2000年，工作方式为自报式方式和查询应答式方式一并使用，采用超短波通信、有线传输、卫星通信等数据传输方式，可以实现跨流域、区域联网，但是采集的数据资料只能够供本地域使用；第三阶段为2000年至今，工作方式采用自报查询应答的混合工作方式，数据传输方式则采用短波、微波、卫星等取代超短波，实现了真正的跨地域联网，水文数据可以实时共享。

我国水情遥测数据的传输方式随着计算机和通信技术的发展不断变化。70年代中至80年代中期，数据主要采用国外进口的无线超短波设备进行传输。80年代中期后，国家水利主管部门开始鼓励国内研究所和高校自行研发超短波遥测设备。90年代开始应用包括超短波、卫星、PSTN有线公网等数据传输方式，其中超短波传输一直扮演非常重要的角色。90年代末期开始，陆续利用INTERNET网络技术和GSM短信方式进行传输，但是没有得到大规模的推广和应用。2002年5月，中国移动正式推出了商用的GPRS移动互联网技术。

目前我国水文监测系统最常使用的数据传输方式有：超短波、卫星通信以及GPRS通信。当前新兴的通信技术窄带物联网以其广覆盖、大容量、低功耗、低成本的优势全面超越其他技术，是一种最适合长距离、多终端物联网业务的通信技术，窄带物联网的应用领域非常广泛，涵盖公共事业、智慧城市、电子消费、设备管理、智能建筑等不同的垂直应用场景。因此有理由相信窄带物联网未来在水文远程监测数据传输应用方面也会有长足的发展。

图1

2 研究内容

设计开发基于窄带物联网传输信道的水文测报系统，项目开发包括数据传输单元的硬件部分和软件部分，综合考虑系统采集通讯部分功能要求、稳定性、低功耗、可拓展和低成本等因素，吸收其他现有系统优良稳定设计方案，选择合理主控芯片及外围器件进行设计开发，实现终端多信道数据可靠采集传输。水文测报系统可以兼容传感器的适配和控制，兼容超短波通信模式，要求增加新的数据传送模式（窄带物联网），从硬件上可以兼顾系统超短波信道的衔接，既让超短波信道得到充分利用，又能与窄带物联网信道完美融合。实现系统水文远程测试，支持各类监测数据长期本地存储及远程报送等功能，确保低功耗无人值守运行。

远程水文测报系统总体组成框图如图1。

远程水文测报系统总体功能:

（1）系统遥测站点采用超短波自报式和窄带物联网双信道主备工作模式。当雨量变化1MM或水位变化1CM时，遥测站通过窄带物联网信道报送数据，当报送不成功后自动启用超短波发送本站数据信息。测站支持窄带物联网信道召测及远程参数设置等功能。

（2）中心站可以随时接收各遥测站点从不同信道发送的水位、雨量、电压等水情数据。

（3）接收软件能对数据进行报文分解、分析检错、预处理并存储数据库。能显示站点数据、各类报表及过程线等信息等。

（4）系统测站内含固态存储器，确保数据现场长期存储，支持远程或现场读取存储的数据。具有液晶屏中文显示及人工置数功能。

（5）测站有较强的抗干扰能力，当设备遭受较强的外界干扰（如感应雷、强电磁干扰等）时，设备能进行有效的自我保护，使遥测设备免遭破坏，当外界干扰导致遥测设备运行错误时，遥测设备能进行有效的自我恢复，以保证遥测设备正确、可靠地运行。

（6）具有完善可靠的防雷保护，与外界联系沟通部份采用光电隔离和继电器隔离，并有PVS抗浪涌保护。

（7）低功耗设计，遥测设备全部采用太阳能光板和蓄电池浮充供电方式，可保证连续30天阴雨天气条件下正常工作。

远程水文测报系统技术参数：

（1）工作频段：220～240MHz

（2）数据传输速率：300～1200bps

（3）数据畅通率：≥99%

（4）数据通信误码率：优于10-6

（5）系统MTBF≥16000 h

（6）雨量分辨力：1mm

（7）水位分辨力：1cm

系统传输终端程序采用 keil 为开发平台和uCOS-II 操作系统。Keil 软件提供了丰富的库数据和功能强大的集成开发调试工具以及友好的界面， 在开发大型软件时更能体现优势；uCOS-II 是专门为嵌入式系统设计的硬实时(Hard Real Time)多任务内核它的内核精简多任务管理功能相对完善实时性能好可裁剪可固化源码开放可移植性强uCOS-II 应用广泛适应性强，从8 位到64 位处理器都可以移植。根据对水文远程监测系统的需求分析需要进行终端程序设计。

软件具有如下功能：

（1）接收本系统遥测站发送的超短波和窄带物理网数据。

（2）自动时钟同步各测站。

（3）可直接远程召测及修改各测站参数。

（4）自动整合入库接收到的超短波和窄带物联网数据，能有效防止雨量冒大数，水位跳变等现象，数据判断入库现有数据库。

（5）根据数据接收数据情况判断显示各测站运行状态。

（6）可查询打印小时、日、任意段次雨情、水位报表、水位过程线、雨量分布图、雨量柱状图、实时水情分布图等。

最终实现的远程水文监测系统的完整的采集传输过程是：

（1）实现终端定时向中心站发送数据功能，水文数据采集终端定时采集相关数据，包括：时间、降雨量、水位，然后通过数据传输单元NB-IOT网络上传数据给中心站。

（2）实现中心站召测功能，监控中心站向水文采集终端发送指令，通过数据传输单元NB-IOT网络发送给终端，终端接收命令后，再传输水文数据给中心站。

3 结束语

2017年是窄带物联网商用元年，在顶层设计中建设窄带物联网是信息通信业“十三五”规划中的重点工程，未来我国将加快窄带物联网商用进程。各大运营商已经积极试点部署窄带物联网。窄带物联网技术具有低功耗、低成本、高覆盖、强连接等的优势运用在远程水文测报系统将全面提升水文测报传输的及时性、稳定性、安全性、实用性，可以在水利行业进行全面推广。