基于移动网络的水利工程远程监控系统研究

林育斌

(深圳市金河建设集团有限公司，广东 深圳 518049)

0 引 言

作为庞大而精密的运作项目，水利工程在实际运行过程中需要充分的数据支持，以发挥其最大作用；因此，对水利工程的持续监测是必要的。通过监测获得的数据可以用于对运行过程的控制[1]。在水利工程的监控过程中，需要根据当地的水文环境进行不断调节，监测数据主要包括水位、水质等参数；在实际监控过程中，水利工程的水文信息基本上都处于变动之中，只有通过远程监控才能生成直观的数据参数，从而可以更加直接地进行处理[2]。

文献[3]提出基于BIM技术的远程监控系统，对系统中的部分硬件进行优化后，构建BIM模型，结合神经网络算法完成施工过程的实时监控。文献[4]提出基于云服务平台的远程监控系统，该系统通过4个结构层次来实现远程监控功能，集成了物联网、云通信等技术，实时传输远程监控数据。文献[5]提出基于多线程的远程监控系统，该系统通过多线程技术编写了三种通信协议线程，实现了系统数据的交互传输。本文在这些研究之上，进行水利工程远程监控系统的设计与研究。

1 系统设计

本文以双界河水环境改善工程为研究对象，该水利工程是广东省深圳市宝安区与南山区的区界河。工程整治范围为双界河河段，长度大约为2.26 km，主要内容包括防洪排涝与水质提升等，主要通过阻水构筑物等措施对河道进行整治，对河道的水质进行改善，让河道的主要水质指标达到观赏性绿化环境用水标准。

1.1 硬件设计

为了达到在监控过程中连接多种类型的设备，设计了如图1所示的硬件体系结构。

图1 硬件体系结构

主控模块的芯片采用STM32F103ZET6，具有512 KB ROM和64 KB RAM，同时配备了1个USB接口和1个CAN接口。在微控制器模块中，采用CAN总线接口进行信息采集，并使用ARM7微控制器LPC系列单片机对数据进行采集处理。定位模块采用LEADTEK公司的GPS9805，通过信号接收机将信息按照固定格式发送给微控制器[6]。无线通信模块采用SIM_COM公司的SIM300C实现数据传输，并使用FD810通信进行语音通信。数据采集模块采用控制器与数字量采集相结合，对数据进行采集。现场的工控机主要采用GE公司的90_30型号的PIE设备，其余硬件部分与常规的远程监控系统相一致[7]。

1.2 基于移动网络的软件设计

为了达到对水利工程的有效实时监控，需对水利工程的参数进行采集。

(1)确定采集目标和参数：在进行水利工程参数采集之前，需要明确采集目标和所需采集的参数。常见的水利工程参数包括水位、流量、水质、水温等。

(2)选择采集工具和设备：根据采集目标和参数的不同，可以选择不同的采集工具和设备。常见的采集工具和设备包括水位计、流量计、水质分析仪、温度计等。

(3)安装和调试采集设备：在进行参数采集之前，需要安装和调试采集设备。在安装和调试过程中，需要注意设备的正确使用方法以及保养维护。

(4)进行采集操作：在设备安装和调试完成后，可以进行参数采集操作。采集操作需要按照设备的使用说明进行操作，并注意采集数据的准确性和完整性。

(5)数据处理和分析：采集到的数据需要进行处理和分析，以获取有用的信息和结论。数据的处理和分析可以采用各种数据处理软件和方法，如Excel、SPSS等。

(6)结果报告和应用：在数据处理和分析完成后，可以将结果报告并应用于实际工程中。结果报告需要根据实际需求和要求进行编写和整理，应用需要根据实际情况进行调整和优化。

人活着，并不会一切顺利如意，但如果我们都有小草那种顽强拼搏，无私奉献的精神，那我们的祖国必将充满无限的生机与活力。

使用Linux内核进行配置的流程如下：首先进入内核文件，在Device Drivers界面中选择Multimedia support，然后进入V4L USB devices界面进行配置[8_9]；在GSPCA based webcams中进行配置并保存。同时，应用ZigBee无线网络协议层的架构，将各个层定义的协议进行集合。协议层主要包括网络层和应用层。根据协议层，在射频收发机的端口对数据进行采集，从而形成水利工程采集数据库。

1.2.2 水利工程监控数据通信传输

提取采集的水利工程数据库后，使用移动网络搭建数据通信结构。通过MQTT协议与服务器进行通信，并设置传输参数的交换[10]。通过STM32串口发送AT指令，并设置数据传输消息帧格式；收发数据的消息帧格式如表1所示。

表1 传输消息帧格式

在此基础上，对传输的数据格式进行设计，设定的通信格式为：帧头+数据类型+有效数据+帧尾，设计的数据格式如表2所示。

表2 数据特性格式表

其中，发送给服务器的指令主要有以下几种类型：周期性采集、设置控制模式与远程控制，各个符号含义如表3所示。

表3 指令符号含义

周期性采集的参数指令为：WB 03 01 02 03 04 WB，更改模式指令为：PB 03 01 02 03 04 PB，远程控制的指令为：EB 03 01 02 03 04 EB。使用该指令进行数据之间的通信，通过指令连接到中转服务器，之后自动连接到监控端；在经过中转服务器时自动进行发送，形成水利工程监控数据通信结构。

1.2.3 远程监控终端显示

根据通信模块的通信数据，设计远程监控终端显示模块。将监控参数上传至监控终端，并显示设备的连接状态，同时设定与执行器设备绑定的标识符情况。为了减少系统上传过程中出现的延时，通过AT指令连接到中转服务器，并自动连接到移动终端。还设置了发送指令，包括获取参数指令、控制指令等。采用ISO复用Select模型，在多客户端连接下，使用多线程技术解决客户端同时响应的问题，同时也方便读取执行数据。通过协调器的数据收集，将应答模式设置到应用层，数据的发送节点按照应答后判定成功发送数据，最终结果将在终端上显示。

2 系统测试与分析

为了测试设计系统的性能，进行了相关实验。

2.1 系统搭建

根据水利工程远程监控系统的架构，搭建测试平台的硬件，使用传感器进行数据的采集。搭建好硬件后，进行初始化连接，获取水利工程的相关参数，搭建监控端，其中设备和参数信息如表4所示。

表4 设备和参数信息

将设备进行搭建，得到远程监控系统的测试页面如图2所示。

图2 系统的测试页面

为了对所设计系统的性能进行充分验证，以响应时间与监测精度为指标，将所设计系统与文献[3]系统、文献[4]系统进行对比验证。

2.2 实验结果与分析

水利工程远程监控系统的响应时间是指从接收到请求或事件发生的时刻开始，到系统做出响应的时刻结束所经过的时间；简而言之，它是系统对外界请求或事件做出响应的速度。对于水利工程远程监控系统而言，响应时间的概念非常重要，因为它直接影响着系统的实时性和效能。较短的响应时间意味着系统能够快速地对请求或事件做出响应，及时采取相应的措施或提供相关的数据；而较长的响应时间则可能导致延迟和信息滞后，从而影响系统的运行效果和决策的准确性。

不同系统的响应时间结果如表5所示。

通过对表5中数据的分析，可以突出所设计系统的优势。根据表中数据，所设计系统在每个测试次数下的响应时间都明显低于文献[3]和文献[4]系统的响应时间。例如，在测试次数为200、300、400和500次时，所设计系统的响应时间分别为3.57、3.43、3.25和3.55 s，而文献[3]和文献[4]系统的响应时间分别为7.78、7.46、7.50和7.55 s。这表明所设计系统能够更快地对请求或事件做出响应。另外，其他测试次数下的数据也呈现出相似的趋势。所设计系统的响应时间都远远低于文献[3]和文献[4]系统的响应时间。这表明所设计系统在水利工程远程监控领域具有明显的优势，能够更快速地对水利工程的请求和事件做出响应，提高系统的运行效率和决策的准确性。

水利工程远程监控系统的监测精度是指系统监测和测量数据与实际值之间的误差或偏差程度，简而言之，它表示系统测量结果的准确性和可靠性。在水利工程中，监测精度是非常重要的，因为它直接影响着决策和对水资源管理的正确性。较高的监测精度意味着系统能够准确地获取和反映水利工程相关参数的实际情况。

不同系统的监控精度结果如表6所示。

根据表6中的数据，所设计系统在每个测试次数下的监测精度明显高于其他系统。例如，测试次数为200时，所设计系统的监测精度达到96.36%，明显高于文献[3]系统的75.32%和文献[4]系统的66.85%。类似地，在所有测试次数中，所设计系统的监测精度均远高于其他系统。这些数据表明，所设计系统能够更准确地监测水利工程相关参数，并提供更可靠的数据。这种较高的监测精度对于水资源管理和决策制定具有重要意义。

所设计系统以Zigbee无线网络协议层为基础，在射频收发机的端口，对数据进行了采集，并使用了移动网络；通过MQTT协议，在数据库之间搭建了快读通信结构，缩短了数据之间的通信速度。

3 结 语

为了对水利工程的施工过程进行有效监控，提出基于移动网络的水利工程远程监控系统。从理论与实验两方面对系统的性能进行了验证，该系统在进行水利工程远程监控时，具有较短的响应时间与较高的检测精度。但是在此次研究中，对于移动网络在水利工程远程监控系统中的稳定性和可靠性方面的研究还不足。尽管移动网络具有灵活性和便捷性的优势，但其在复杂环境下的可靠性问题仍然存在挑战。由于水利工程多处在偏远地区或恶劣的气候条件下，如何确保移动网络的稳定连接以及保证数据传输的可靠性仍需进一步探索。