基于物联网的虚拟水文测站构架

叶永清

（浙江天禹信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

水文测站，是指为收集水文监测资料在江河、湖泊、渠道、水库和流域内设立的各种水文观测场所的总称。水文测站主要是为水文水资源信息服务，为开展行政区界水资源监测分析、最严格水资源管理监督考核提供支撑；在防台抗台、洪水灾害及突发水污染等自然灾害的涉水事务中提供监测和信息服务；通过各种途径等发布实时水文信息，建立中央、流域和省级水情预警发布系统，同时向社会发布洪水和干旱预报预警等，增强社会的防灾避险意识。当前我国水文部门建设的水文遥测站中实现水文信息采集的主要手段是建设水文遥测系统。遥测系统主要是对相关传感器进行数据采集后，通过遥测终端机进行数据存储、传输到中心站[1]。这种结构在水文遥测站建设中会有以下几点问题：

1）水文测站遥测系统可扩展性较差。水文测站遥测系统每类参数是通过是建设独立的遥测系统进行采集，根据各单位对数据的采集密度、传输协议、接口平台等需求不同，只有通过新建新的采集系统来实现。比如，常规水文遥测系统使用的数据密度为 5 min，发报方式是自报式，传输协议采用自定义协议，倘若有采集高频率数据的需求（即 1 min数据），采集传感器的状态数据，采用的发报方式为触发式，则无法满足此项需求。此类结构决定了其对水文测站而言是无法扩展的，只能通过新建系统来满足新的需求。

2）水文测站遥测系统容灾能力较弱。水文测站遥测系统的通信手段基本是采用公网传输，比如电信、移动、联通等移动基站，对于自主建设的通信传输而言，公网方式具有使用便捷、维护成本低的特点，可是当遭遇到超强的灾害时，极易出现网络中止、断开的情况，当公用通信基站出现故障的情况时，通过该运营商基站传输的遥测设备将无法通信，这种情况在遭遇台风时会有发生[2]。若每项遥测要素通信方式为北斗卫星，那么将遇到的问题：1）建设及后期运维成本极大；2）北斗卫星的短报文通信传输字节长度为 70 B，卡的发送频率为 5 min[3]。

3）水文测站对空间分布要求高。国家基本水文测站中，测量参数一般有雨量、水位、蒸发、流量等，这些参数的采集地点分布在标准雨量观测场、河道断面等地方。水文标准化观测场根据 SL 21—2015《降雨量观测规范》中的要求，常规有 6 m×6 m，12 m×12 m 等各种尺寸，雨量观测场对周围环境有着一定的高要求，比如：场内仪器之间、仪器与栏栅之间的间距不小于 2 m。所以在遥测站建设中会出现在一个观测场中不能建设完成所有参数。河道监测中，由于不同的水位采用的流速测量方式不同，上下移动的断面及数个断面是常出现的情况。因此，将分布式遥测系统之间相互集成、融合在一起，变成一个水文测站也是非常必要的[4]。

故而，通过架构水文测站遥测系统来解决这些问题是十分必要的，为此，本研究提出通过物联网的方式构建水文测站的自动化系统。

1 系统构架

基于物联网的水文测站系统数据流程为通过传感采集并将数据传输到短距离无线通信系统，水文测站的物联中心接收到数据后，并对接收到的数据进行分析、处理，然后输出，利用 GPRS、北斗等各种通信信道进行数据传输，可传输至各省市县的数据中心。

系统主要由感知层、接入层、传输层和应用层组成。基于物联网的水文测站系统主要结构如图 1所示。

图1 基于物联网的水文测站系统结构图

1.1 感知层

感知层由传感器组成，水文行业一般用的传感器有翻斗雨量计、格雷码水位传感器、雷达水位传感器、自动蒸发站、多普勒仪等。传感器根据各自的采集原理采集各自的水文监测要素，由对应的数据接口输出水文监测要素的数据，并提供给数据采集仪、数据终端等后端使用。感知层传输各种数据，包含水文监测、状态数据等，这些各式各样的数据对后端使用是极具意义的[5]。

1.2 接入层

接入层由传感部分和物联中心组成。传感部分重点实现的功能是采集感知层的各种输出数据，由短距离无线通信设备传输至水文测站的物联中心，然后对采集的数据进行分析、解码、存储、报文重组、报文输出等工作是由物联中心实现的。

无线短距离通信设备由物联通信完成，LoRa 物联方式是传输的主要方式。物联通信的网络层协议由 LoRaWAN 和少量的非 LoRaWAN 协议组成。采用的网络拓扑形式是星状网网络架构，数据传输的距离大约为 10 km。通信对象为 1 点对多点通信。在多个传感节点可同时与物联中心点通信，从节点可随机上报数据，节点可以根据外界环境和信道阻塞自动采取跳频和速率自适应技术，逻辑上网关可以接收不同速率和频点的信号组合，物理上网关可以同时接收 8，16，32 路甚至更多路数据，减少了大量节点上行时冲突的概率。该系统具有极大的延拓性，可单独建网，可交叉组网。

这类网络结构的优点是：1）通信能力范围广，网络实施成本得以节省，实施复杂度得以减少；2）物联中心能够将交集建设得以实现，做到无盲点通信；3）物联中心可实现全面管理，提升通信信道的使用率，可扩展系统容量；4）可避免网关多路并发情况，避免网络堵塞，支持节点跳频，增加系统容量；5）每个节点的速率可降低功耗，减少并发性冲突，增加系统容量；6）提高安全性，可以实现两级 AES－128 数据加密；7）星状网络结构提高鲁棒性；8）可以实现标准化 LoRaWAN 协议。

1.3 传输层

传输层的功能是建立物联中心与省市县级数据中心的通信关系。根据不同用户单位的数据中心对于数据的详细需求，物联中心将报文重组采集到的相关感知数据，根据对方的要求组合相关的协议，利用不同的传输信道将数据传输给对方。根据水文测站的重要程度等级，国家基本水文遥测站的通信信道可以采取组合式传输手段，比如选择互联网、移动通信、北斗卫星、专网等信道中的 2 种及以上组合。物联中心根据通信信道的实时状态和信道的优先级主动选择合适的发送信道完成数据传输。比如：当网络畅通时采用互联网通信，在网络拥堵时通过全网通或者北斗卫星等通信方式传输数据。这种传输方式可以节省水文测站在数据传输过程中的可靠性的建设成本，有效地解决了遇到灾害时网络传输不畅通的情况。

1.4 数据中心

数据中心主要实现将各个水文测站由物联中心传输过来的数据进行数码入库，形成多个水文测站水文参数遥测信息实时数据库。每个单位根据各自的业务需求开发相关的业务系统。这种结构可以做到不同的业务系统之间应用到的同一测站的实时数据是统一的，也是唯一的，达到一数一源的要求[6]。

2 关键技术

2.1 一体化水文采集终端

感知层数据采集由传感器、LoRa 模块、供电系统组成。因为 LoRa 模块的功耗极低，所以可以根据传感器的功耗进行设计采集终端，可以分为一体式和分体式水文采集终端。

雨量采用翻斗式雨量计采集，该传感器采用双触点通断信号输出数字信号，所以无功耗，那么只要考虑通信方式的功耗，因为 LoRa 方式功耗很低，一般 4 节 5 号电池可以工作 10～15 a，根据 SL 416—2007《水文仪器报废技术规定》规定，翻斗式雨量计使用年限为 10～12 a，那么可以通过在翻斗式雨量计中内置电池和 LoRa 模块即可完成一体式雨量采集终端。

水位采集水文测站中较为常用的传感器是浮子式水位计，该水位计输出采用格雷码输出，报废年限为 10～15 a，所以可以考虑和雨量采集同样的方式实现一体化水位数据采集。

2.2 物联中心

水文测站物联中心由 LoRaWAN 网关、数据处理和通信模块 3 个部分。物联中心主要功能是为短距离传输模块服务，一般通过物联网构建的窄带传输范围可在 10 km 左右，所以，通过构建物联中心，采集 10 km 范围内的水文传感数据，然后在物联中心根据数据规范进行报文组合，供后端数据通信系统进行数据传输，发送至省市县数据中心。

LoRaWAN 网关是建设 LoRaWAN 网络的关键性、重要性设备，目的是采集所有传感节点发送的数据，显著特点为：1）强兼容性，若符合LoRaWAN 协议，其所有的应用均能够接入；2）网关接入灵活，单网关的节点为数十到数万个不等，并且节点具有随机入网的特点，其节点数目能够扩展；3）强并发性，网管能做到 8 个频点，同时实现随机的 8 路并发数据，扩展频点；4）网关的通信方式为全双工通信，上下行可并发，不会出现冲突，从而具有极强的实效性；5）网关的灵敏度高，在相同速率下较非 LoRaWAN 协议的设备，其具有更高的灵敏度；6）网关的网络拓扑简单，星状网络结构具有更高的可靠性、更低的功耗等特点；7）网络建设及后期运维的成本很低[7]。

数据采集模块负责 LoRaWAN 系统的管理和数据解析，主要的控制指令都由服务器端下达。根据不同的功能，分为网络服务器（Network Server）与网关通信实现 LoRaWAN 数据包的解析及下行数据打包，与应用服务器通信生成网络地址和 ID 等密钥。数据处理模块主要具有对通过 LoRaWAN 网关采集到的数据进行分析处理，存储等功能，可以理解为实现 RTU 终端中的所有功能但不限于这些功能，因为该模块是运行在计算机上的，所以，很多计算及处理功能比终端强大许多，可以实现很多在终端无法实现的功能，比如流量站点的数据处理和遥测数据的甄别问题等。数据通过分析处理之后进行存储。根据各管理部门对该水文测站需要的数据及传输到的平台具体需求，对传感数据进行报文重组后通过数据通信将数据发送出去。

3 结构对比

传统水文测站自动化系统构建模式为传感设备、RTU、通信系统、数据接收中心等。一般 1 或2 种传感器为 1 组，连接 RTU 设备，通过 GPRS 或北斗卫星将报文传输至数据接收中心。在水文测站中，当监测参数多样化之后，自动化系统均以独立形式存在，极易形成文中所述的问题。

基于物联网的虚拟水文测站构建主要由感知层、接入层、传输层组成。感知层建设可以解决水文传感器的重复建设问题，传感传输可扩展性强。接入层中通过建设短距离物联网传输系统和物联中心可解决水文测站对地理空间要求程度高的问题，同时在物联中心中可以实时监视各种传感器的运行状态，灵活地将各种传感数据根据业务需求进行组合，满足后端的实际需求。传输层建设可以解决水文数据传输容灾能力脆弱问题，根据通信技术的发展，可以将各种稳定的先进数据传输技术应用到数据传输中，无需对前端的传感采集系统进行改造，只需将通信方式集成到传输层即可完成对新技术的扩展应用。同时在容灾方面可以在多种信道之间进行切换，保障数据能报送至目标地。

4 结语

针对目前水文测站存在的问题，提出基于物联网的虚拟水文测站构架，在此基础上提出一体化水文采集终端、物联中心等关键技术，不但为建立结构优化、灵活接入的泛在先进水文测站采集体系提供新颖的架构方法，而且也可为水文测站物联网系列化产品的开发和大规模的推广应用提供支撑。对提升我国水文测站能力建设具有重大的现实意义。随着物联网、大数据等技术的快速发展，其在水文领域的应用也逐渐深入，因此，进一步的研究可以围绕水文物联中心海量数据的采集、传输和处理能力的提升等方面开展。