老撾天空地一體化水雨情數據監測系統集成及應用

李然 王巧麗

摘要：為滿足老撾水雨情數據的監測需求，老撾建設國家水資源信息數據中心項目，建立了老撾天空地一體化水雨情數據監測的系統。以4G物聯網絡和北斗衛星網絡為依托，進行了天空地一體化的水雨情數據監測系統設計。設計了以STM32-CortexM3微控制芯片為核心和以μC/OS-II實時操作系統為系統內核的硬件層，并介紹了系統功能的實現。結果表明：該系統在老撾項目中的實施運用，有效加強了老撾水文水資源監測預警能力。

關鍵詞：水雨情監測; 天空地一體; 4G物聯網絡; 北斗衛星網絡; 微控制器; 老撾

中圖法分類號：TP23 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.004

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0019 - 06

0 引 言

構建老撾天空地一體化水雨情數據監測系統的設想源于老撾國家水資源信息數據中心示范項目建設。老撾數據中心項目實施范圍包括老撾境內湄公河干流和12條主要支流，水資源自動監測站為該區間干、支流主要控制站，數據信息中心設在水文氣象司。根據建設規劃，需循序漸進地開展各省水資源自動監測站網的數據自動采集與傳輸系統建設。老撾地理環境復雜，尤其北部林區多，建設站點遍布全國，老撾國內的通信信號難以做到全覆蓋和實時覆蓋。為此，將中國水文監測運用的天空地一體化技術運用于老撾國家水資源信息數據中心項目的水雨情數據監測，對提升老撾水文自動測報技術的體系建設水平，加強老撾水文水資源監測預報預警能力，增進中老友誼，具有重大意義。本文根據老撾水雨情監測系統現狀，從系統架構、系統硬件、系統功能和實施等方面介紹了天空地一體化水雨情系統建設情況。

1 老撾水雨情監測系統現狀

老撾屬熱帶、亞熱帶季風氣候，全年氣候以濕熱為主，溫差變化不大。老撾5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，年平均氣溫約26 ℃。全境雨量充沛，歷史最大年降水量達3 750 mm，一般年份降水量約為2 000 mm。該國境內80%地區為山地和高原地區，且多被森林覆蓋。地勢北高南低，西部是湄公河谷地、湄公河及其支流沿岸的盆地和小塊平原。發源于中國的湄公河是老撾最大河流，穿越老撾全境，流經西部1 900 km。

老撾降雨量雖豐沛，但雨量時空分布不均衡。年降雨量集中在雨季，其中7～9月為降雨高峰期，月降雨量從12月至次年1月最少，隨后逐月增多。降雨主要集中在老撾中部的萬象、波里坎塞省以及南部的沙拿灣省。湄公河老撾段蘊藏著豐富的水力資源，全國流域內存在60多處水頭較合適地點可修建水電站。

老撾共有各類水文、氣象站點299個，其中包括123個水位站、117個雨量站。

水文站的水位觀測方式包括人工觀測和自動觀測，大多數站點采用委托當地居民進行人工觀測水位的方式;雨量站為人工觀測。根據現場查勘，現有監測站點存在水位觀測設施年久失修、斷面無法使用、雨量觀測設施損壞等情況。水位、雨量等監測數據基本通過人工方式上報數據信息中心。總體上，老撾水雨情監測能力比較低，基礎設施和管理能力相對薄弱。

水雨情監測站點選址時，除了考慮水文特征代表性外，還需考慮交通條件、安裝環境、通訊條件等因素。老撾北部多山地、森林，地廣人稀交通不便，站點不宜太過偏僻，不利于人員進行安裝施工、維護。目前老撾有4家通信網絡運行商，移動通信網絡支持4G物聯網絡但不穩定，網絡連接較差，偏僻地區網絡情況更差。從穩定和成本角度出發，通訊方式要選取多信道互補的方式。

在項目實施過程中，重新布設了新的水位、雨量等站點，站點安裝了新的水雨情觀測設施，重新選擇了具有代表性的監測斷面。監測站點使用新技術傳感器、先進的通訊設備和多信道數據傳輸的方式，從而系統實現了完全自動化，系統穩定性得到了大幅度提升。通過項目的實施，可以提高水資源開發利用水平，實現水資源統一配置和調度管理，從而提高水資源管理與公共服務水平。

2 天空地一體化水雨情監測系統建設

隨著信息通信技術的高速發展，水文監測手段已由早期的人工觀測、單向報訊向自動監測、雙向交互的水文自動監測技術轉變。天空地一體網絡由多種異構網絡混合組成，網絡更動態、更可靠，多種異構網絡可長期并存[1]。天空地一體化監測使水文自動測報技術在自動采集和自動上傳數據的基礎上，提升了系統傳輸和處理的實時性[2-3]。作為空基網絡的重要部分，4G物聯網絡等公用網絡技術已廣泛使用，成為目前普遍使用的基礎通信手段[4-5]。作為天基的重要部分，中國的北斗衛星系統開通全球服務以來，系統運行平穩，經全球范圍測試評估，在中國及周邊地區的定位、交通、農業、公安、氣象、測繪等領域已開始規模化應用[6-7]，在國外地區廣泛使用北斗衛星已經實現。隨著4G物聯網絡、北斗衛星網絡等技術的進一步發展和完善，水文自動監測技術進一步向天空地一體化監測轉變。

3 系統架構

天空地一體水雨情監測系統總體思路如下：以實現水雨情要素監測為出發點，提高系統的實時感知能力和多任務響應能力[8-9]，通過無線網絡通信，實現地基到空基、天基的傳送[10]。水雨情要素監測系統模型可劃為要素感知層、網絡通信層和數據信息層三層結構模式，結構見圖1。

（1） 要素感知層。該層包括多個地基水雨情感知站點。站點設備包含數據處理控制器、水位傳感器和雨量傳感器、通信節點和供電。整個要素感知層的設計要求是體積小、功耗低和可靠性高。

（2） 網絡通信層。該層是以4G物聯網絡為基礎的空基網絡和以北斗衛星網絡為基礎的天基網絡通信方式。4G物聯網絡和北斗衛星網絡以主備的方式運行，一般情況下通信以4G物聯網絡信道運行，北斗衛星網絡關機。當4G物聯網絡運行出現故障時，通信節點自動啟動備用的北斗衛星網絡。

（3） 數據信息層。該層即為信息數據中心，接收感知的水雨情要素，對數據進行匯聚、整理和存儲，同時可下發指令，實現實時交互功能。數據信息層同時面向用戶，實現用戶實時操作，向用戶進行進行數據展示、分析計算，同時接收用戶的下發指令。

4 系統硬件設計

系統硬件設計主要是以地基要素感知層的設計為中心。地基要素感知層作為底層的關鍵部分，既要滿足數據的接收和發送，也要滿足節點的低功耗要求。

4.1 要素感知層硬件

（1） 數據處理控制器。采用基于STM32-CortexM3系列的低功耗嵌入式32位ARM微控制器主控芯片技術，集成了以72 MHz頻率運行的高性能ARM Cortex?-M3 32位RISC內核、高速嵌入式存儲器（高達256KB的閃存和高達64KB的SRAM）以及廣泛的增強型I/O操作系統和外圍設備連接到兩個APB總線。提供兩個12位ADC、4個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及標準和高級通信接口，多達5個USART串行接口。數據處理控制器見圖2。

（2） 水雨情傳感器。氣泵氣泡壓力式水位計，測量范圍一般為0～40 m，輸出格式為標準SDI-12數字協議，以便與數據處理控制器連接。雨量傳感器為翻斗式雨量計，采用脈沖計數的方式記錄雨量值，可與數據處理控制器的IO接口直接連接。

（3） 通信節點。連接4G物聯網絡通信模塊和北斗衛星終端機。作為通信主信道的4G物聯網絡通信模塊具有232接口便于和節點連接，采用長加電的供電方式便于隨時響應。作為備用通信信道的北斗衛星終端機采用普通型北斗用戶機，直接連接通信節點，采用控電的供電方式，減少電源消耗，提高通信效率。

（4） 供電。系統自動監測需要可靠、不間斷的電力供應，且能在野外全天候條件下工作，故電源可靠性和抗干擾性對系統至關重要。水雨情感知站點大多布設在偏僻的山區、林區，供電采用太陽能浮充方式，蓄電池直流供電電壓統一采用12 V標稱電壓。電池容量保證在45 d連續陰雨天的情況下能維持正常供電，太陽能板功率要在連續45 d陰雨天后能在10～20 d內將電池充足，配置相匹配的充電控制器。

4.2 網絡通信層硬件

（1） 4G物聯網絡通信模塊。采用4G DTU，具有全網通、低功耗的特點，支持RDP協議，可以動態管理設備參數和狀態;支持遠程DDP協議、可以遠程對設備進行配置、狀態查詢、狀態監控。支持透明TCP/UDP/SMS，DDP+TCP/UDP/SMS等多種通訊方式。支持多通道同時在線、數據和短信通道互備份、數據和數據互備份。

（2） 北斗衛星網絡用戶機。機型具有開放的水文、水電、氣象、海洋等領域信息通信協議，能與各領域信息中心的北斗衛星網絡系統兼容，實現系統無縫銜接。采用自主研發基帶芯片，功耗低、穩定性好、可靠性高。北斗衛星網絡用戶機廣泛應用于各個行業野外無人值守自動測報站數據傳輸和實時監控。

（3） 北斗衛星網絡指揮機。不同于普通用戶機型，指揮機能夠定位和通信，可實時監視下屬機型用戶的定位和通信信息，可利用短信通播、群發等功能實現對下屬用戶的指揮控制，便于上級指揮調度組網使用。網絡通信層硬件設備見圖3。

4.3 數據信息層硬件

數據信息層主要由高性能服務器、供電系統和網關等硬件設備構成，能夠滿足來自4G物聯網信道或北斗衛星信道數據接入的需求。

服務器具有較高的可用性和穩定性，能滿足長期穩定工作的要求，不易出問題。同時服務器還具有一定的易使用性和易管理性，一般用戶即可簡單操作，用戶體驗人性化，具有關鍵恢復功能和操作系統備份功能。

5 系統功能實現

系統采用新一代YAC2018遙測終端機，該終端機使用了STM32-CortexM3系列處理器，搭載嵌入式實時操作系統，可有效實現系統功能。

5.1 嵌入式實時操作系統

嵌入式實時操作系統已取代簡單的控制回路，可用于解決要素感知層的實時性問題和多任務處理問題[11-12]。實時操作系統uC/OS-II內核是一個開源的、嵌入式的、實時的、多任務的操作系統內核，具有可移植、可擴展和高速的特點，適用于實時多任務嵌入式系統。將實時操作系統uC/OS-II移植到STM32-CortexM3系列微處理器上，可以創建多個任務、支持多任務處理，確保系統的多任務處理的協調性。操作系統的任務切換十分靈活，任務可剝奪、暫停，具有良好的實時性[13]。

5.2 遙測終端機

YAC2018遙測終端機集成了RS232接口、RS485接口、SDI12接口、IO接口、調試接口、LCD顯示和電源等部分。YAC2018遙測終端機具有豐富的外設接口，可以連接4G物聯網絡通信模塊和北斗衛星網絡終端機。YAC2018遙測終端機見圖4。

5.3 功能模塊

系統具有水雨情要素感知功能、數據傳輸功能、參數配置功能和遠程實時交互功能四大功能模塊。

（1） 水雨情要素感知功能。水雨情感知站點采用多線程編程技術，在規定的時間點自動感知到水位和雨量，并存儲在硬件Flash中，也可根據本地人工干預或遠程實時要求，進行即時感知水位和雨量，并返回即時數據信息。

（2） 數據傳輸功能。數據傳輸包括水雨情要素的定時自報和自動加報上傳。定時報按照預先設定的時間間隔，上傳該時間段內的水雨情要素數據。自動加報為自報時間未到時，水雨情變幅達到設定閾值時自動上報要素數據。

（3） 參數配置功能。每個站點都有其特定的信息，如站點編號、主備信道選擇、水雨情要素傳感器類型或感知頻次等，可由用戶自行配置。YAC2018遙測終端機可通過LCD顯示屏或PC機在本地配置，也可遠程通過網絡通信進行配置。

（4） 遠程實時交互功能。遠程實時交互功能包括水雨情要素的即時召測、歷史數據批量傳輸和站節點運行參數讀取設置。交互過程即時響應，數據回應迅速，不影響站點的正常自動運行。

5.4 數據接收和服務

信息數據中心系統實時接收水雨情要素信息進行數據存儲、入庫等處理。用戶在數據信息層進行水雨情感知站點參數的實時讀取和設置，對水雨情要素進行即時召測、對歷史數據進行批量獲取。提供水雨情要素數據圖形界面顯示，可修改庫存數據。提供數據分享和交互服務，可將數據推送到用戶的移動接收端。

信息數據中心系統采用萬兆以太網技術，按功能區劃分為內網和外網。內網使用以太網交換機作為核心交換機。外網使用配置核心匯聚路由器和防火墻，防火墻即為數據中心邊界，同時起到隔離作用。

基于網絡安全和老撾使用人員對數據安全的需要，信息數據中心系統采用高性能防火墻策略，可提供安全接入、抗外來攻擊、實時檢測入侵、強力防御惡意病毒等保護，同時提供高性能VPN、帶寬管理等綜合安全保障。為進一步保障網絡的穩定性，系統采用內外網雙網冗余結構設計，提供雙保險。

6 系統實施和注意事項

目前老撾天空地一體水雨情數據監測系統已經建成，一期已建成的站點正實時地向水文氣象司的數據信息中心上報水雨情要素信息。已建成的站點運行正常、穩定、可靠。由于老撾地理環境等因素影響，4G物聯網絡難以持續保持穩定，當4G物聯網絡數據傳輸不到位時，北斗衛星網絡適時啟動上報數據，保以證數據的實時性和完整性。

信息數據中心運行情況穩定，數據收集完整度高，數據實時處理、展示情況良好。

遠程讀取水雨情要素數據、更改運行參數，系統及時響應、正常運行;數據成果展示、形成過程曲線實時穩定。站點現場見圖5。

為避免再次出現系統運行數年后，因疏于維護和管理導致站點設備損壞、通訊中斷、數據中斷等情況，需要在系統運行過程中加強檢查和管理，保障系統正常運行，使其長期穩定發揮效益。運行維護方面需注意以下事項：① 定期對站點進行巡檢，檢查站點設備供電、通訊等，可參考中國做法，每年定期進行汛前檢查;② 每年對傳感器進行率定，及時修正測量中出現的誤差;③ 注意對站點周邊環境的保護，因自然災害導致的損壞應及時修復，若出現人為損壞應及時制止;④ 注意信息數據中心是否出現異常數據或報警信息，一旦出現，應根據數據信息提示查找原因;⑤ 定期對網絡設備進行升級，避免因安全漏洞出現網絡安全、數據安全等問題。

7 結 語

老撾數據中心項目采用老撾天空地一體化水雨情數據監測系統架構，項目中的設備全部采用中國自主研發的全套最新設備，利用以4G物聯網絡、中國北斗衛星網絡通信技術相結合的空天地一體化架構，實現了信息自動采集傳輸和互聯互通。該項目的實施大大提升了老撾水文自動測報技術的建設水平，提高了水文水資源監測預報預警能力和綜合服務水平。

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Integration and application of Laos air-space-land integrated water and rain regime data monitoring system： a project case of National Water Information Center in Laos

LI Ran， WANG Qiaoli

（Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan? 430010， China）

Abstract： In order to build Laos National Water Information Center， a system for integrated water and rain data monitoring of the sky and ground in Laos was established to meet the monitoring needs of water and rain data in the complex environment of Laos. Based on 4G Internet of Things and the Beidou satellite network， the design of an integrated air-space-land water and rain data monitoring system as proposed The hardware layer was designed with STM32-CortexM3 micro-control chip as the core and μC/OS-II real-time operating system as the system kernel. The realization of the system function is introduced. The implementation and application of this system in Laos project has effectively strengthened Laos'? hydrological and water resources monitoring and early warning capabilities.

Key words： water and rain regime monitoring; air-space-land; 4G Internet of Things; Beidou satellite network; microcontroller; Laos