基于传感器的远程水文监测系统的研究

李志中 谢云

（广东东软学院，广东 佛山 528225）

一、概述

随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新的要求，水文观测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求；同时，现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水文监测技术自动化的发展。

在水文监测系统中，常常需要对众多的水位点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到监控中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过电话线传送数据往往事倍功半。通过GPRS、3G或者4G无线网络进行数据传输，成为水文部门选择的通信手段之一。水文监测设备可将采集到的水文数据通过4G网络及时发送到水务部门，实现对水情信息的及时监控，可以大大提高水文部门的工作效率。因此，远程水文监测系统的全面实施，是十分必要和迫切的。

二、系统功能指标

前面已经提到了，由于软件系统开发商不同，使用的硬件设备也有差异，中心数据库存储结构不一致，造成了多个方面的不统一，给国土城建和水务局的统一管理带来了很大的麻烦和困难。因此，开发并应用一套统一管理和维护的水文监测系统已十分的必要。该系统的功能指标如下。

（一）前端硬件及配套软硬件设备标准体系

制定一套前端硬件及配套设备标准体系，包括雨量测量仪、水位计、GPRS DTU等硬件设备。

（二）数据规范集中存储

设计一套统一的规范化数据存储格式，用于存储通过远端设备采集回来的数据，并集中存储，以便对其进行分析、统计。

（三） 数据采集功能

通过前段远程设备（雨量测量仪、水位计等），将数据（雨量、水位等）通过GPRS等网络采集回来，存储到规范化的中心数据库中。

（四）水情监控功能

对采集回来规范存储的数据，进行分析、统计，实现水情监控功能。包括水情监控、雨情监控、台风监控、防汛调度等等。

（五）远程监控终端管理

能对远程监测终端（雨量测量仪、水位计等）进行统一的管理，并提供远程监测终端的配置功能。

三、系统性能指标

系统总体规划即对全局问题的设计，也就是设计系统总的处理方案，又称概要设计。包括计算机配置设计、系统模块结构设计、数据库和文件设计等等。

根据系统业务需求，和实际部署的运行环境，可以将系统的总体框架设计为多层体系结构，如下图所示：

项目建设架构上由测站及基础设施、数据汇集平台、综合数据库、服务支撑、业务应用、统一门户六个部分组成。

（一）测站及基础设施：测站及基础设施内容包括：已建和新建测站、已建的传感器以及网络等基础设备。

（二）数据汇集平台：实现相关数据的采集、解析、汇总，保护数据的一致性、规范性。

（三）综合数据库：综合数据库主要包括业务数据库、空间数据库、数据资源管理。数据库是应用系统的信息支撑，用于存储和管理各专业应用所需的数据，为业务应用提供信息支持服务。

（四）服务支撑：服务支撑包括应用支撑平台和关键性服务组件。服务支撑位于数据资源之上，统一管理各种系统资源，为上层的业务应用提供技术支撑服务。

（五）业务应用：远程水文监测系统的建设将涵盖区水文监测管理的主要业务范围，将其信息化并综合展现。

（六）统一门户：功能子系统是将系统的业务应用集中到一个服务平台上，通过单点登录，实现应用的入口统一。

四、系统体系结构

依据统一的标准，可以建设一套标准的远程监测终端系统，集数据采集、传输、存储功能于一体，采用低功耗设计，要求能够适用于太阳能供电的监测现场。

（一）硬件部分

远程监测终端系统硬件部分包括：信号感知模块（传感器）、数据采集模块、数据存储模块、无线数据通信模块、供电模块、防雷模块。架构图如下：

传感器（包括编码器和显示部分）的作用是感受被测量，并将该量值转换成增量式、编码式、模拟式或数字式等不同形式机械的或电信号的输出。编码器是进行信息表示方式转换，完成信源编码的部件。

系统选用的传感器，必须是经过鉴定符合技术标准、计量标准的正规产品，其适用条件、精度、分辨力、技术性能必须符合有关的水文测验国家标准、行业标准的要求。

（二）软件部分

远程监控终端的性能和效率由系统软件直接决定。远程监控终端将现场传感器采集的数据进行分类整理过滤，形成有效信息通过网络实时地上报给监控中心的通信服务器。接收通信服务器的指令控制执行机构的动作，根据现场数据进行预判，当数据达到报警条件时，立即将报警信息报送监控中心处理。由于远程监控终端位于数据采集与监视控制系统的最远端，经常处于环境恶劣、地理位置偏僻的站点，还应具备远程配置的功能。

远程监测终端系统的功能包括：

通信功能：支持GPRS、APN、短消息、卫星等多种通讯方式；支持与多中心进行数据通信；支持实时在线、定时唤醒两种工作模式。

采集功能：采集水位、雨量变送器的标准信号；采集流量计、脉冲表的流量数据；采集水泵或阀门运行状态、设备供电状态和箱门开关状态。

图片抓拍功能：可外接工业照相机，进行图片抓拍。

控制功能：支持自动控制、远程控制水泵、阀门等控制设备。

远程管理功能：支持远程参数设置、程序升级。

报警功能：监测数据越限，立即上报告警信息。

存储功能：本机循环存储监测数据，掉电不丢失。

五、中心监控软件系统

中心监控软件负责各个远端监测终端的管理与配置，对远端监测终端进行数据采集、存储、查询、统计、分析、上报，并建立数学模型，提供管理层的决策依据。具体可以分成两个子系统：数据采集子系统、水情综合监控管理子系统。

中心监控软件系统模块结构如下图所示：

六、系统部署方案

水务部门的水文数据作为三防的重要信息，可以其他部门进行共享。远程数据采集是通过GPRS APN网络进行的，所以采集数据存储在政务网采集数据服务器中。而政务网通过开放数据接口，提供数据给各水利部门使用。系统部署图如下：

七、结论

综上所述，基于传感器的远程水文监测系统的研究，有着重要的现实意义。本项目成果包括：

（一）远程水文数据采集软件一套（软件）（包括：数据采集与水情综合监控两个子系统）；

（二）信息管理及中心数据库存储结构规范一套（文档）（包括：基础类、信息采集与传输类、数据资源类、空间表达类、应用支撑类和管理类等6大主要类别共计25部技术标准）；

（三）前端硬件及配套设备标准体系一套（文档）。