基于窄帶物聯網的遠程水文測報系統

文/陳小英

遠程水文測報系統是一種由傳感器、計算機和移動通信等設備構成的系統，它集合了采集、處理、傳遞功能為一體，是利用自動化水文傳感器設備、遠程遙測終端(RTU)、網絡通信等現代信息技術進行遠程采集、傳輸水文信息的自動化系統。遠程水文測報系統能夠實現對水利的有效調度，加強對水文數據信息的有效處理，從而促進水文工作的高效率發展，實現防洪減災的目的。《水利改革發展“十三五”規劃》中明確指出，“完善水文監測站網體系，提高自動化監測水平”是完善江河綜合防洪減災體系的重要工作任務。因此遠程水文測報系統需要隨著科技進步進行不斷技術變革創新。

1 國內外研究現狀

水文遠程測報系統發展的歷史經過三個時期，第一階段為1975年至 1990年，水文遙測系統的工作方式基本采用查詢應答式，數據傳輸方式采用振幅鍵控、音頻濾波、積分判決等調制手段，通信技術十分落后，傳輸速率非常低，測報數據很少，只能夠進行水位雨量的測報，主要運用在小流域上；第二極端為1990 至 2000年，工作方式為自報式方式和查詢應答式方式一并使用，采用超短波通信、有線傳輸、衛星通信等數據傳輸方式，可以實現跨流域、區域聯網，但是采集的數據資料只能夠供本地域使用；第三階段為2000年至今，工作方式采用自報查詢應答的混合工作方式，數據傳輸方式則采用短波、微波、衛星等取代超短波，實現了真正的跨地域聯網，水文數據可以實時共享。

我國水情遙測數據的傳輸方式隨著計算機和通信技術的發展不斷變化。70年代中至80年代中期，數據主要采用國外進口的無線超短波設備進行傳輸。80年代中期后，國家水利主管部門開始鼓勵國內研究所和高校自行研發超短波遙測設備。90年代開始應用包括超短波、衛星、PSTN有線公網等數據傳輸方式，其中超短波傳輸一直扮演非常重要的角色。90年代末期開始，陸續利用INTERNET網絡技術和GSM短信方式進行傳輸，但是沒有得到大規模的推廣和應用。2002年5月，中國移動正式推出了商用的GPRS移動互聯網技術。

目前我國水文監測系統最常使用的數據傳輸方式有：超短波、衛星通信以及GPRS通信。當前新興的通信技術窄帶物聯網以其廣覆蓋、大容量、低功耗、低成本的優勢全面超越其他技術，是一種最適合長距離、多終端物聯網業務的通信技術，窄帶物聯網的應用領域非常廣泛，涵蓋公共事業、智慧城市、電子消費、設備管理、智能建筑等不同的垂直應用場景。因此有理由相信窄帶物聯網未來在水文遠程監測數據傳輸應用方面也會有長足的發展。

圖1

2 研究內容

設計開發基于窄帶物聯網傳輸信道的水文測報系統，項目開發包括數據傳輸單元的硬件部分和軟件部分，綜合考慮系統采集通訊部分功能要求、穩定性、低功耗、可拓展和低成本等因素，吸收其他現有系統優良穩定設計方案，選擇合理主控芯片及外圍器件進行設計開發，實現終端多信道數據可靠采集傳輸。水文測報系統可以兼容傳感器的適配和控制，兼容超短波通信模式，要求增加新的數據傳送模式（窄帶物聯網），從硬件上可以兼顧系統超短波信道的銜接，既讓超短波信道得到充分利用，又能與窄帶物聯網信道完美融合。實現系統水文遠程測試，支持各類監測數據長期本地存儲及遠程報送等功能，確保低功耗無人值守運行。

遠程水文測報系統總體組成框圖如圖1。

遠程水文測報系統總體功能:

（1）系統遙測站點采用超短波自報式和窄帶物聯網雙信道主備工作模式。當雨量變化1MM或水位變化1CM時，遙測站通過窄帶物聯網信道報送數據，當報送不成功后自動啟用超短波發送本站數據信息。測站支持窄帶物聯網信道召測及遠程參數設置等功能。

（2）中心站可以隨時接收各遙測站點從不同信道發送的水位、雨量、電壓等水情數據。

（3）接收軟件能對數據進行報文分解、分析檢錯、預處理并存儲數據庫。能顯示站點數據、各類報表及過程線等信息等。

（4）系統測站內含固態存儲器，確保數據現場長期存儲，支持遠程或現場讀取存儲的數據。具有液晶屏中文顯示及人工置數功能。

（5）測站有較強的抗干擾能力，當設備遭受較強的外界干擾（如感應雷、強電磁干擾等）時，設備能進行有效的自我保護，使遙測設備免遭破壞，當外界干擾導致遙測設備運行錯誤時，遙測設備能進行有效的自我恢復，以保證遙測設備正確、可靠地運行。

（6）具有完善可靠的防雷保護，與外界聯系溝通部份采用光電隔離和繼電器隔離，并有PVS抗浪涌保護。

（7）低功耗設計，遙測設備全部采用太陽能光板和蓄電池浮充供電方式，可保證連續30天陰雨天氣條件下正常工作。

遠程水文測報系統技術參數：

（1）工作頻段：220～240MHz

（2）數據傳輸速率：300～1200bps

（3）數據暢通率：≥99%

（4）數據通信誤碼率：優于10-6

（5）系統MTBF≥16000 h

（6）雨量分辨力：1mm

（7）水位分辨力：1cm

系統傳輸終端程序采用 keil 為開發平臺和uCOS-II 操作系統。Keil 軟件提供了豐富的庫數據和功能強大的集成開發調試工具以及友好的界面， 在開發大型軟件時更能體現優勢；uCOS-II 是專門為嵌入式系統設計的硬實時(Hard Real Time)多任務內核它的內核精簡多任務管理功能相對完善實時性能好可裁剪可固化源碼開放可移植性強uCOS-II 應用廣泛適應性強，從8 位到64 位處理器都可以移植。根據對水文遠程監測系統的需求分析需要進行終端程序設計。

軟件具有如下功能：

（1）接收本系統遙測站發送的超短波和窄帶物理網數據。

（2）自動時鐘同步各測站。

（3）可直接遠程召測及修改各測站參數。

（4）自動整合入庫接收到的超短波和窄帶物聯網數據，能有效防止雨量冒大數，水位跳變等現象，數據判斷入庫現有數據庫。

（5）根據數據接收數據情況判斷顯示各測站運行狀態。

（6）可查詢打印小時、日、任意段次雨情、水位報表、水位過程線、雨量分布圖、雨量柱狀圖、實時水情分布圖等。

最終實現的遠程水文監測系統的完整的采集傳輸過程是：

（1）實現終端定時向中心站發送數據功能，水文數據采集終端定時采集相關數據，包括：時間、降雨量、水位，然后通過數據傳輸單元NB-IOT網絡上傳數據給中心站。

（2）實現中心站召測功能，監控中心站向水文采集終端發送指令，通過數據傳輸單元NB-IOT網絡發送給終端，終端接收命令后，再傳輸水文數據給中心站。

3 結束語

2017年是窄帶物聯網商用元年，在頂層設計中建設窄帶物聯網是信息通信業“十三五”規劃中的重點工程，未來我國將加快窄帶物聯網商用進程。各大運營商已經積極試點部署窄帶物聯網。窄帶物聯網技術具有低功耗、低成本、高覆蓋、強連接等的優勢運用在遠程水文測報系統將全面提升水文測報傳輸的及時性、穩定性、安全性、實用性，可以在水利行業進行全面推廣。