物聯網技術在密云水庫水文遙測站改造中的應用

張志強 ZHANG Zhi-qiang；張泰 ZHANG Tai；郝皓 HAO Hao

（北京市密云水庫管理處，北京 101512）

1 密云水庫雨水情遙測系統概況

1.1 站網分布

密云水庫是首都唯一地表飲用水源地，在首都水源安全保障中起著關鍵性作用，因此，“保安全、多蓄水”的目標對密云水庫防汛工作提出了更高的要求。北京市密云水庫管理處于2004年開始建設雨水情遙測系統并于2014年進行改造，建成信息采集網絡涵蓋雨量、水位等信息，包括1個中心站（白河）、40個遙測站（其中32個為雨量采集站，8個為雨量、水位采集站），站網主要分布密云水庫上游。通過采集上游來水區域的實時降雨量和水位數據，為水庫防汛業務的決策、調度等工作提供有效的數據依據。

1.2 系統功能

密云水庫雨水情遙測系統是典型的水文遙測系統，主要包括數據采集、接收、存儲、信息應用四部分功能。①數據采集。遙測站實現雨量、水位數據的自動采集。以GSM通信為主信道，海事衛星通信為備用信道上報采集數據。②數據接收。管理處中心實時接收遙測站上報的雨量、水位數據，并通過報文解析功能提取出本系統所需的數據。③數據存儲。管理處中心存儲遙測站上傳的各種自動數據，實現雨水情遙測數據的存儲、管理和應用。④信息應用。管理處中心實現各類雨水情遙測信息的實時展示和歷史數據查詢。

1.3 改造必要性

雨水情遙測系統的信息采集站點通過GSM通信和海事衛星將采集信息傳輸到處中心，其中GSM通信為主信道，海事衛星通信為備用信道。由于海事衛星通信傳輸不穩定且設備供應商保障能力不足等原因，該通信方式已經完全停用，不能滿足系統的正常運行。近幾年，特大暴雨在北京頻頻出現，僅靠GSM通信一種通信方式，在發生極端天氣情況下，無法保證通信的可靠性，防汛排洪工作的時效性無法得到保證。亟需對密云水庫水文遙測部分雨量站進行改造，以保證雨水情遙測系統運行穩定可靠，數據采集正常完整，確保水文遙測部分雨量站的正常運行，為防汛業務提供有效的技術保障手段，提高防汛業務支撐能力和保障能力。

2 遙測站改造方案

2.1 遙測站改造技術架構

本系統根據物聯網架構改造，系統結構可分為感知層、網絡層和應用層三部分，如圖1所示。

圖1 技術架構圖

感知層是整個系統的數據基礎，負責遙測站前端數據的獲取。物聯網感知終端對雨量計、水位計的數字信息量進行采集，實現遙測站雨水情數據的感知。

網絡層是整個系統的中間環節，負責系統的信息傳送。網絡層包括4G通訊、北斗短報文通訊及GSM通訊。改造遙測站主信道均為4G通訊傳輸，將采集數據直接發送至管理處中心，備用信道為北斗衛星，現地北斗用戶機將物聯網感知終端上傳的數據發送至管理處中心的北斗指揮型用戶機。

應用層承載著用戶業務和功能。應用層包括在管理處中心部署采集接收軟件，實現接收從現地上傳的數據，并進行解析、存儲、展示。

2.2 物聯網感知終端

系統改造采用由北京市水利自動化研究所自主研發的物聯網感知終端，該設備已取得發明專利并通過水利部型式檢驗。

作為改造系統感知層的關鍵設備，物聯網感知終端主要滿足兩方面要求：

全面透徹感知。可靈活接入各類已有傳感器、感測遙測站現場的各類自動信息。如現場雨水情傳感器設備無故障，則無需新建傳感器和測站基礎設施，減少升級改造成本。

可靠穩定傳輸。首先須滿足現階段的遙測站穩定通訊需求，其次由于物聯網及移動通訊技術發展較快，而遙測站需要長期服役運行，需要考慮日后的擴展升級。所以物聯網感知終端需要支持主流的各種通訊方式。

①原理結構。物聯網感知終端硬件結構以CPU芯片為核心，配置輸入輸出模塊、時鐘模塊、存儲模塊、AD轉換模塊、電源模塊等。輸入輸出模塊負責與外部設備的連接與通信。存儲模塊負責程序和數據的存儲，電源模塊負責對電源的管理，以實現終端的運行與低功耗待機。原理結構如圖2所示。

圖2 硬件原理結構設計

②邏輯結構。物聯網感知終端的研制從水務應用場景入手，設計硬件接口，用于采集和整合各類水務傳感器，如圖3所示。

圖3 邏輯結構設計

物聯網感知終端系列產品根據不同水務應用場景的性能需求完成CPU選型。以CPU為核心完成硬件電路的驅動層設計后，根據水務應用需求，完成產品應用程序設計，實現數據采集、存儲、4G/GPRS/GSM/NB-IoT、以太網、無線自組網等功能。

③CPU芯片選型。物聯網網關、遙測終端機和物聯網節點的CPU芯片側重點不同，在芯片選型上按照突出重點、兼顧性價比的原則進行，3種終端的CPU選型及性能指標如表1所示。

表1 物聯網感知終端芯片選型表

④接口。物聯網感知終端硬件接口包括數字量輸入輸出、模擬量輸入、串行通信口等，下面以數字量輸入為例闡述接口設計。接口設計電路原理示意如圖4所示。

圖4 數字量輸入原理圖

根據水文遙測站野外環境特點設計以下幾點：

電源隔離采用2500V隔離電壓的隔離電源。

信號隔離采用磁隔離器，隔離電壓為2500V。

輸入連接到CPU上具有中斷功能的GPIO。

DI輸入部分增加濾波和保護電路，提高系統的安全性和可靠性。

⑤電源。根據水文遙測站的設備低功耗需求，設計以下幾點：

為了實現系統的低功耗運行，外圍各個部件的電源都設置了獨立的電路開關，根據需要由應用程序通過CPU的GPIO控制相應的開關來實現供電。

系統運行需要的電壓由高效率的DC/DC轉換得到，共有以下幾種：+5VDC，+3.3VDC。

系統輸入電源電壓由CPU自帶的ADC來測量。

圖5 電源設計原理圖

⑥存儲。固態存儲可支持SD卡，板載FLASH，USB存儲器三種，SD卡和USB的容量可根據需要選配。

⑦終端嵌入式軟件。物聯網感知終端采用模塊化程序，通過調用采集程序庫、通信協議庫以及配置庫，定制終端嵌入式程序，實現不同場景下水務參數的采集、存儲、上傳，以及遠程的終端配置，終端嵌入式軟件結構如圖6所示。系統改造通過物聯網感知終端連接現場已有傳感器，實現感知層的數據采集，并通過物聯網感知終端的內置4G通訊模塊和外聯的北斗用戶機等設備，實現雨水情遙測數據傳輸。實現了遙測站雨量、水位數據的自動采集，并以4G通信為主信道，北斗衛星通信為備用信道上報采集數據。

圖6 終端嵌入式軟件結構

2.3 通訊鏈路選擇

改造遙測站實時數據通過4G/北斗衛星實現數據的遠程傳輸。4G為主信道，北斗衛星為備用信道，當主信道無法通訊時，遙測站將信道自動切換為北斗衛星通訊發送數據。

4G+北斗衛星通訊滿足了雨水情遙測傳輸中功耗、信號覆蓋能力、通訊費用、網絡安全、通訊系統健壯性的綜合需求。

2.4 供電系統配置

按照《SL61-2015水文自動測報系統技術規范》的要求，電源設計根據日照條件和連續陰雨天數進行太陽能板和蓄電池的容量設計。太陽能蓄電池容量計算公式

公式（1）中：I為負載電流；H為供電時間；N為最長連續陰雨天數；C為蓄電池放電深度，一般取0.7；P為電源轉化效率。

經過計算，當系統采用4G傳輸，可連續工作大于10個連續陰雨天；當系統采用北斗衛星傳輸，發送北斗信號時，可連續工作大于9個連續陰雨天。原遙測系統中的采用的20Wp太陽能電池板和12V38AH鉛酸蓄電池可以支持改造系統在汛期連續陰雨天和極端天氣條件下的長期穩定供電，滿足水文遙測站工作需求。

3 系統改造與運行情況

2018年至2020年，密云水庫雨水情遙測站改造共分三期項目完成，為保證改造項目不影響汛期業務工作，在非汛期完成改造任務。改造后，遙測站設備運行正常、數據采集傳輸穩定，為防汛業務提供了有效的技術保障，有力支撐密云水庫防汛業務工作。

4 結論

隨著水務精細化管理對信息采集要求的不斷提高，物聯網技術已經逐漸成為有效的支撐手段。基于物聯網技術、移動通訊和北斗衛星通訊技術對密云水庫水文遙測雨量站進行了改造,數據采集效果滿足水文規范和實際應用需求。本文適應新時期下物聯網、衛星通訊技術發展趨勢，提出了物聯網與水文遙測系統的融合技術實現方案，能夠解決新形勢下水文遙測系統升級改造問題，降低升級改造的難度和實施成本，取得良好的經濟社會效益。