基于物联网的水文监测系统关键技术研究

0 引 言

我国疆域广阔，河流湖泊众多，丰富的水资源极大地促进了农业发展，但洪涝灾害也给人民群众带来了不小的财产损失和生命威胁。洪灾治理经常采用预防为主的方式，洪灾预防首先要对河流进行实时监测，然后对采集到的实时数据进行分析，从而能够准确预报洪水情况。传统的水文监测经常采用人工方法，定期到水库、河流等现场实施检测，但人工方法存在很多弊端，诸如无法做到实时测量、获得全面数据、准确分析结果等，甚至在一些偏远区域，人工监测无法实施，致使该区域数据无法获取。

基于上述问题，建设现代化水文监测系统势在必行。近 年来，物联网、大数据等信息技术的大力发展，推动了水文 信息化建设出现长足进步，克服了传统人工观测方式的不足。在基于物联网的水文监测方面，已经有众多学者实施了研究， 诸如，贾琳娜等以船只搭载传感器作为物联网感知层的移动 节点，提出一种基于物联网的水情测报系统[1]；王慧斌等提出一种基于 CPS体系架构的水文自动测报物联网系统 [2]，具备“实时感知 - 物信互联 - 过程跟踪 - 智能处理”的特征 ； 吴春祥等依托 4G 无线网络与岸端水文数据监测中心构建了一个智能化水文自动测报系统 [3]；李杰采用物联网技术构建丹东市水文监测信息系统 [4]，可提高区域水文信息监测效率 ； 熊万提出利用 ZigBee 无线传感器网络技术以及 W5500以太网模块组成监控系统 [5]，以实现水文信息的实时监测 ；马朝从硬件平台构建和软件集成设计两个方面，探讨了基于物联 网的水文监测信息系统架构 [6]；晋美次旦等提出一种基于物 联网的水文监测系统 [7]，可提高水文监测系统的智能化水平 ； 张云等构建了基于物联网的水文监测系统 [8]，利用 ZigBee 技术在小范围无线通信方面的优点，结合水文预报的实际现 场情况，采用树形拓扑结构组建无线自动水文监测网络 ；张洋洋等基于 ZigBee和 GPRS实时监测水文信息 [9]，极大地提升了水文监测的智能化水平 ；Dai等基于水调度管理模块， 构建了基于物联网的水文信息监测系统 [10]；江勇等提出了基于物联网的水文监测系统 [11]，该系统具有实时处理、可视化显示、异常报警及处理等功能。

综合以上文献得出，物联网技术在水文信息监测系统中得到了一定的应用，集中于利用 4G，ZigBee，GPRS 等无线组网方式实现传感器数据的采集，目前有些处于实验室试验阶段，并未真正用于监测现场。本文通过研究实施自动化水文监测系统，实现水位、流速水文信息的自动采集、传输和处理，建立水位、流速关联决策系统，并在广西境内建立试点， 完善水文信息的存储管理和交换，为水文数据的处理提供先进的技术手段，为防汛抗旱、城市水务信息化、水资源管理等提供依据，满足水利各类业务和其他行业对水文水资源预测预报的需求。

1 物联网体系架构

物联网 [12]是通过射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）、红外感应器、激光扫描器等传感设备，按照约定协议将网络与物品连接，实现信息交换和通信与智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网系统可实现物到物（T2T）、人到物（H2T）和人到人（H2H）的互联，通过传感技术将人与人之间的互联扩大到了物的范围 [13]。物联网的核心是物物相连，可实现所有事物之间的信息交换和通信，如图 1 所示。

图 1 物联网泛在互联

体系架构用于指导具体的系统设计，物联网应用广泛， 急需建立一个共性框架支撑物联网在各个领域的应用，同时， 随着应用需求的不断发展，新技术不断引入物联网体系中。通常，物联网系统包含感知层、网络层和应用层，如图 2 所示。

1.1 感知层

物联网要实现万物互联，感知层是基础，其主要基于传感器采集物体信息。感知层的关键技术包括 RFID 技术、传感器技术、无线传感网络技术等。感知层需要解决功耗、成本等问题，并大力促使其向高灵敏度、全面的感知能力方向发展。

1.2 网络层

网络层主要完成感知信息的传送，是物联网信息的承载网络。网络层包括接入网和核心网等，接入网使物联网终端实现网络接入功能，接入网分为无线接入和有线接入等。核心网支持终端移动性和异构接入。物联网中的设备结构不同， 因此，物联网应该是泛在的，而且物体是移动的，因此物联网网络层需要支持移动性，实现无缝透明接入。

1.3 应用层

应用层实现数据挖掘、应用决策等，最终实现物联网领域应用。该层涉及大量数据的智能处理、中间件、分布式计算、信息发现等技术。物联网行业应用均有各自不同的系统，没有统一的物联网标准与物联网接入、融合的管理平台，因此， 应用层需要一个通用框架，以满足物联网各行业的个性化应用。

物联网的特征是物物相连，无需人工干预，极大地提高了效率，同时也降低了人工导致的不稳定性。物联网把传统信息通信网络延伸到更为广泛的物理世界。将“物”纳入“网” 中是信息化发展的一大趋势。

2 物联网水文监测系统

近年来，物联网产业蓬勃兴起，在各个行业都有成熟的应用典范。随着物联网的发展，“水联网”时代已经到来，物联网水文监测是水联网中的一部分。应用物联网信息技术， 通过关键技术的研究建成常规监测与自动监测、固定监测与移动监测相结合的现代化水文信息采集体系，研究开发一套集采集、传输、处理、存储、显示于一体的自动化水文监测系统。该系统使用水位计、流速计对水位、流速信息进行实时采集，通过无线网络或有线网络进行传输汇集，构建水文信息平台，服务于防汛抗旱、城市水务信息化以及水资源监测等多项业务管理，从而能够切实提高水利行业管理的综合能力和管理水平，实现向精细管理、动态管理、定量管理和科学管理的转变。

2.1 系统组成

物联网水文监测系统使用传感器（水位计、流速计）进行水文信息实时采集，利用 Internet/GPRS 通信网建立信息传输网络，并把信息传输到监控中心的水文监测信息系统， 形成区域内信息采集、传输、处理的水文信息综合数据库， 如图 3 所示。

基于通用物联网体系架构，物联网水文监测系统由感知层、网络层、应用层组成。

感知层 ：由水位传感器、流速传感器和数据终端机组成， 采用 GDRD56 雷达水位计采集水位信息，采用 RG30 雷达流速计采集流速信息，采用 DATA-6311 数据终端机解析水位与流速传感器信息，并将数据传送于网络层。

网络层 ：采用 Internet/GPRS 网络相结合的方式。数据终端机解析得到的水位与流速数据通过网络传送到服务器进行存储与处理。

应用层 ：开发基于 Web 的物联网水文监测系统软件，通过建立智库使应用层能够更方便、更快捷地获得水文信息。

2.2 关键技术

实现该系统所涉及的关键技术包括传感器智能接口开发、数据融合与智库实现以及传感器、无线网络与智库的集成研究。

（1）传感器智能接口开发

通过熟悉水位、流速传感器的原理以及数据读取、数据转换等完成传感器智能接口的开发，拟采用 IEEE1451 标准 [14]，接口原理如图 4 所示。IEEE1451 是一个智能传感器接口的标准族，其定义了一系列为使智能传感器连接到微处理器、仪表系统以及现场控制网络的开放、通用的标准，该标准给传感器配备了一个通用的软硬件接口，使其可以方便地接入现场总线以及 Internet。

（2）数据融合与智库实现

主要对采集到的传感数据进行筛选、过滤、存储、处理、人机交互等，利用数据处理平台与服务器，采用 WEKA 工具挖掘水位与流速的关联关系，融合各种数据处理算法，形成智能决策系统，实现友好的人机交互与 Web 服务。数据融合与智库实现如图 5 所示。

（3）传感器、无线网络与智库的集成

无线网络的选用拟根据水文站、水库、流域的现场情况而定， 在铺设有线 Internet 的现场， 可以通过覆盖无线WiFi 网络实时获取各传感器数据甚至视频、图片 ；在没有Internet 而有手机移动网络的现场，可以采用 GPRS 等网络传输数据 ；在没有 Internet 与手机网络的场所，拟采用北斗短报文方式传输数据。传感器、无线网络与智库集成如图 6 所示。

2.3 室外试点

物联网水文监测系统包括室内研究和室外试点应用。室内研究在充分考虑各项关键技术的基础上，建设了一套由监测点、数采仪、网络、监测软件构成的完整体系 ；室外试点应用在南宁水文站实施室外试验，安装雷达式水位计与流速计各 1 套，通过现场大量的实验研究，验证物联网水文系统的实时性、准确性、稳定性。

根据水文站现场勘察情况，结合需要安装的水位计与流 速计的工作原理，采用竖杆与横臂结合固定的方法，根据实际尺寸定制竖杆与横臂并运送到现场安装、调试。定制 L 型立杆，采用钢 Q235材料，高 6m、横臂长 6m，杆直径180mm、厚 6mm，横臂直径 114mm、厚 4mm。横臂末端预留3个吊钩，用于安装传感器，吊钩安装孔按照传感器订做 ； 杆中端安装一个室外监测箱用于安装数据终端机 ；顶端安装太阳能板支架，用于安装太阳能板 ；杆和横臂连接处安装天线扣，用于安装发射天线。整杆做防雷处理，电箱终端到传 感器之间预留连接线管及线孔。物联网水文监测系统安装如 图 7 所示。

安装立杆前，分别在低水位与高水位处做 2个基础笼， 挖地长 1m，宽 1m，深 3m。采用 12×M24 圆钢材料，3m 下料，带面板，C30 混凝土。在枯水期时，将立杆安装于低水位处 ；洪水期时，将立杆上移到高水位处。

2.4 物联网水文监测软件

实时收集无线传感网络（GPRS）传输的水位、流速数据，并予以分类聚积、组合、存储 ；预处理的数据属于时序数据，采用人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN） 建立数据模型，利用神经网络和模糊逻辑系统（Fuzzy Logic System，FLS）相结合形成的神经模糊网络（Neuro-Fuzzy Networks，NFN）模型对实时收集的数据实现智能决策 ；人机交互与 Web 服务界面采用 GoServer 快速 Web 应用开发平台实现。GoServer 是一套用于开发 Web 应用系统的快速开发平台，适用于开发各种应用系统，尤其是 MIS，ERP， CRM，OA，HER，物流系统等。也适用于将 C/S 应用系统转向 B/S 构架，或者将多套 C/S 应用系统进行整合，以及完成传感器监测系统的上位机程序。

物联网水文监测与预测系统软件采用GoServer 平台开发而成，包括系统管理、监测管理与监测分析操作。系统管理模块包括用户管理、角色管理以及权限管理等功能，可以添加与删除用户 ID、用户名、所属角色及其联系方法等 ；监测管理模块具有监测点分类、监测点配置、参数配置与数据补偿等功能，主要实施对水文监测点的参数设置与配置，该功能是达到准确监测结果的前提 ；监测分析模块具有实时监测、历史数据保存、水位分析、流量分析与水位预测功能，可以实时显示水位、流量数据，并保存到数据库，方便对水位、流量进行实时分析，如图 8 所示。应用历史数据，通过人工智能方法对水位实现预测。

3 结 语

本文应用物联网信息技术建立了一套基于水位计和流速计的物联网水文监测系统，通过室内试验和室外试点，发现该系统运行实时、准确、稳定，达到了预期效果。该系统的成功运行大大提升了水利水文领域的自主创新能力，突破了重点核心关键技术，实现了水利水文领域的创新驱动发展， 有力支撑了广西壮族自冶区水利产业结构优化升级，为后期建设功能明确、结构合理、良性互动、运行高效的智慧水文信息监控体系奠定了坚实的基础。

图 8 物联网水文监测分析模块