基于無人船的物聯(lián)網水文測報系統(tǒng)方案研究

基于無人船的物聯(lián)網水文測報系統(tǒng)方案研究

吳春祥1孔繁軍2

（1.廣州工程技術職業(yè)學院廣州510075）（2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所武漢430064）

為監(jiān)測目標水域的水文數據，對采用無人船技術的智能化水文測報系統(tǒng)方案進行了研究，提出了一種基于無人船的水文監(jiān)測終端設計，借助4G無線網絡與岸端水文數據監(jiān)測中心共同構建一個智能化的水文自動測報系統(tǒng)。完成了水位數據的測報模擬實驗，并對水文監(jiān)測中心收集到的測報數據進行了初步分析，結果表明本研究方案能較好地解決水文數據測報問題，具有可行性與應用推廣價值。

無人船；水文監(jiān)測；4G無線網絡；智能化；傳感器

Class NumberU644.8；TP302.1

1 引言

洪澇災害和水質污染危害著社會安全及民眾健康，成為了困擾經濟發(fā)展和社會生活的一個難題。通過網絡信息化技術實現的智能水文自動測報，實現全天候、無人值守的情況下，監(jiān)測目標區(qū)域的水文數據，對預防水災害和保護水資源有著重意義。很多現有的水文測報系統(tǒng)都普遍存在智能化低、實時性及可靠性差等問題［1～2］。筆者研究了一種基于無人船的水文測報系統(tǒng)方案，提出了一種基于無人船的水文監(jiān)測終端，借助4G無線網絡與岸端水文數據監(jiān)測中心共同構建一個智能化的水文自動測報系統(tǒng)。該方案可實現水文數據的主動上報與請求查詢兩種工作模式，提高數據采集精度與數據報送準確度，從而提高了水文測報系統(tǒng)的智能化程度與穩(wěn)定可靠性。

2 系統(tǒng)設計

本文所研究的基于無人船的智能化水文測報系統(tǒng)，由位于無人船端的智能水文數據監(jiān)測終端、岸端岸端水文監(jiān)測中心和通信網絡組成，如圖1。無人船端集成所需要采集數據類型的智能傳感器［3］。監(jiān)測中心配有多臺數據收發(fā)工作站與數據存儲分析服務器，配置有水文數據庫。監(jiān)測中心內部是工作站與服務器組成的局域網，通過交換機與4G無線路由器進行有線與無線冗余連接，再借助無線路由器與無人船監(jiān)測終端進行數據收發(fā)［4～5］。

相比許多現有的水文測報系統(tǒng)，本文的研究方案具有以下創(chuàng)新和優(yōu)勢：

1）采用無人船技術，提高了水文監(jiān)測終端的可覆蓋范圍。

2）利用智能傳感器技術，提高了水文監(jiān)測的智能化程度。

3）利用4G移動通信網絡技術，提高了數據傳輸速度和可靠性。

3 關鍵技術研究與設計

3.1 無人船數據采集技術

為了實現無人船對智能傳感器的數據采集，開發(fā)了一個與無人船控制系統(tǒng)集成的數據采集模塊，該模塊硬件是Cortex M3開發(fā)板的基礎上，擴展了傳感器數據采集、4G通信模塊而成［6～7］，如圖2。水文數據采集過程是通過Cortex M3微處理器的GPIO口實現脈沖波的發(fā)射，完成對超聲波回波的檢測與接收，發(fā)射電路通過脈沖從超聲波發(fā)射器上發(fā)射出去。接收電路接收反射回來的超聲波信號，給微處理器一個下降沿信號。微處理器收到該信號后產生中斷，進入相關中斷處理服務程序，計算出超聲波傳感器到水底的距離［8］。

3.2 超聲波水位測算技術

超聲波水位測量技術是通過向傳播介質中發(fā)射一個超聲波，經過目標反射后接收其回波，并檢出其中所攜帶有關目標的信息，用于確定目標方位與距離的方法［9］。當超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波開始計時，超聲波經空氣傳播至目標，再反射后傳播回超聲波接收器后停止計時，計算超聲波從發(fā)射地到目的地往返時間ΔT。

然后由式（1）算出超聲波發(fā)射地與目標之間的距離L［10］。

其中c為超聲波在空氣中的傳播速度。然而在實際測量過程中，超聲波在空氣中速度受環(huán)境溫度T影響較大，需要進行溫度補償。實際傳播速度c通常由式（2）進行修正［11］。

3.3 無人船端的數據報送

無人船向監(jiān)測中心自動上報數據，和監(jiān)測中心向無人船定時查詢兩種工作方式。自動上報方式。按設定的數據上報周期，通過無人船的4G通信模塊向中心站的發(fā)送數據［12～13］。數據采集的前提條件是獲得數據采集信號量，然后從數據緩沖區(qū)中讀取采用頻率值。在獲得數據采集信號量后，打開數據采集設備，對水文數據進行采集，如果采樣時間到，則關閉數據采集設備，停止本次數據采集。中心站監(jiān)測管理軟件，按設定的時間周期讀取出并分析處理后將所采集的數據存入水文數據庫。定時查詢工作方式下，監(jiān)測中心通過4G無線路由器向無人船發(fā)送采集命令，請求采集數據。無人船端接收來中心站的請求命令并解析，則向中心站返回待查詢的數據。

數據接收的前提條件是獲得無人船控制端在線信號。在獲得信號量后，對命令進行解析。從中心站接收的命令分為三類包括：設置查詢數據量命令、設置采樣頻率命令和數據查詢命令。無人船數據采集終端接收到設置命令后，將改變數據采集頻率、數據動態(tài)緩沖區(qū)大小。

數據發(fā)送的前提條件是同時獲得無人船在線信號量和采集完畢信號量和。在獲得這兩個信號量后。數據發(fā)送線程將按照中心站命令要求的數據量發(fā)送數據，每次寫入最大的數據包為1024字節(jié)，超過1024字節(jié)數據做下一包發(fā)送，最后發(fā)送小于1024字節(jié)的數據包。

4 系統(tǒng)測試方案

4.1 系統(tǒng)測試步驟

在目前研究階段，系統(tǒng)測試是將裝配6個水位傳感器的無人船模型，停舶在水深2m處的實驗水池中進行模擬實驗。測試步驟如下：

1）設置4G無線網絡通信參數、檢查網絡連接，建立無人船端通信模塊與監(jiān)測中心數據采集分析服務器的連接。

2）無人船停泊到預定位置，開啟水位傳感器數據采集功能，將測量數據，通過4G網絡傳送到監(jiān)測中心。

3）監(jiān)測中心服務器上的無人船水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件，接收來自無人船數據監(jiān)測終端的數據，如圖3。

4.2 測報數據分析

無人船終端采集到的水位數據存入監(jiān)測中心水文數據庫后，反復從實驗中的提取水位數據，每次隨機選取N個水位測量數據作為樣本（如表1），然后通過數理統(tǒng)計方法對數據進行分析。

表1 水位數據樣本表

根據式（3）、（4）［14］，對表1中的樣本數據的進行數理統(tǒng)計分析。

對這組數據樣本統(tǒng)計表明，測量數據服從μ= 1.99989，σ2=7.79×10-6的正態(tài)分布N(μ，σ2)。用1.99989作為樣本均值，偏差小于7.79×10-6。

通過以上分析表明，本研究方案的系統(tǒng)測試中無人船監(jiān)測終端在待測點附近測量的水位深度近似值約為1.99989m，誤差小于1×10-5。此外，如果向無人船終端配置更多的水位傳感器，可以使數據采集精確度進一步提高。

5 結語

本文提出了一種由無人船監(jiān)測終端通過4G無線網絡與監(jiān)測中心一起構建的基于無人船的智能化水文測報系統(tǒng)設計方案。該無人船監(jiān)測終端能主動向中心站主動上報數據，也能響應監(jiān)測中心的數據查詢請求。本研究方案實現了監(jiān)測中心對無人船端的水文數據的采集、接收、存儲、分析等功能。由于研究條件所限，目前方案測試是在模擬化的實驗環(huán)境進行，首先完成了水位數據的測報。經過反復實驗分析，在模擬環(huán)境下系統(tǒng)運行良好，數據采集較為精確，數據發(fā)送與接受誤碼率低，達到了預期研究目標。下一步將增加智能傳感器對于降水量、水流速、水溫度、水質含量等數據進行采集與測報，以及遠程監(jiān)測與預警功能。

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Scheme Research on IoT Hydrological Measuring and Reporting System Based on Unmanned Ship

WU Chunxiang1KONG Fanjun2
（1.Guangzhou Institute of Technology，Guangzhou510075）（2.No.719 Research Institute，CSIC，Wuhan430064）

In order to monitor the hydrological data on the water area，a scheme on hydrological measuring and reporting sys?tem is introduced in this paper.By using 4G wireless network，unmanned ship monitoring terminal and monitor center onboard are connected and making up a intelligent hydrological data measuring and reporting system.During the research processing，the author implements the simulated experiment of water depth，and analyzes the result data of water depth stored on monitor center database which gathered from unmanned ship terminal.The conclusions indicate this scheme can well resolve the problem of hydrological measuring and reporting，and have the good practicability and application value.

unmanned ship，hydrological measuring and reporting，4G wireless network，intelligent，sensor

U644.8；TP302.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.032

2017年2月8日，

2017年3月23日

廣東省公益研究項目-智能交通系統(tǒng)交通流優(yōu)化與誘導關鍵技術研究（編號：2014A010103002）資助。

吳春祥，男，碩士，工程師，研究方向：物聯(lián)網技術。孔繁軍，男，博士，高級工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。