基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　摘 要：水文監(jiān)測在洪澇災(zāi)害預(yù)防與治理中起著關(guān)鍵作用，針對傳統(tǒng)水文監(jiān)測方法無法實(shí)時(shí)測量、無法獲得全面數(shù)據(jù)、無法準(zhǔn)確分析結(jié)果等問題，提出應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于水位與流速傳感器建立一套物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)，探討傳感器智能接口開發(fā)、數(shù)據(jù)融合與智庫實(shí)現(xiàn)及傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)與智庫集成等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件，并通過室內(nèi)試驗(yàn)與室外試點(diǎn)證明了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能和效果，為水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種新方法。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);水文監(jiān)測;傳感器;實(shí)時(shí)測量;無線網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)傳輸

　　《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志是目前國內(nèi)第一本經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)，手續(xù)齊全的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)科技期刊。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次革命，據(jù)美國獨(dú)立市場研究機(jī)構(gòu)Forreter預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)所帶來的產(chǎn)業(yè)價(jià)值要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，將形成下一個(gè)上萬億元規(guī)模的高科技市場。

　　0 引 言

　　我國疆域廣闊，河流湖泊眾多，豐富的水資源極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展，但洪澇災(zāi)害也給人民群眾帶來了不小的財(cái)產(chǎn)損失和生命威脅。洪災(zāi)治理經(jīng)常采用預(yù)防為主的方式，洪災(zāi)預(yù)防首先要對河流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后對采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)洪水情況。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測經(jīng)常采用人工方法，定期到水庫、河流等現(xiàn)場實(shí)施檢測，但人工方法存在很多弊端，諸如無法做到實(shí)時(shí)測量、獲得全面數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確分析結(jié)果等，甚至在一些偏遠(yuǎn)區(qū)域，人工監(jiān)測無法實(shí)施，致使該區(qū)域數(shù)據(jù)無法獲取。

　　基于上述問題，建設(shè)現(xiàn)代化水文監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大力發(fā)展，推動(dòng)了水文信息化建設(shè)出現(xiàn)長足進(jìn)步，克服了傳統(tǒng)人工觀測方式的不足。在基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測方面，已經(jīng)有眾多學(xué)者實(shí)施了研究，諸如，賈琳娜等以船只搭載傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水情測報(bào)系統(tǒng)[1];王慧斌等提出一種基于CPS體系架構(gòu)的水文自動(dòng)測報(bào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[2]，具備“實(shí)時(shí)感知-物信互聯(lián)-過程跟蹤-智能處理”的特征;吳春祥等依托4G無線網(wǎng)絡(luò)與岸端水文數(shù)據(jù)監(jiān)測中心構(gòu)建了一個(gè)智能化水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)[3];李杰采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建丹東市水文監(jiān)測信息系統(tǒng)[4]，可提高區(qū)域水文信息監(jiān)測效率;熊萬提出利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及W5500以太網(wǎng)模塊組成監(jiān)控系統(tǒng)[5]，以實(shí)現(xiàn)水文信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測;馬朝從硬件平臺構(gòu)建和軟件集成設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測信息系統(tǒng)架構(gòu)[6];晉美次旦等提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[7]，可提高水文監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平;張?jiān)频葮?gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[8]，利用ZigBee技術(shù)在小范圍無線通信方面的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合水文預(yù)報(bào)的實(shí)際現(xiàn)場情況，采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線自動(dòng)水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);張洋洋等基于ZigBee和GPRS實(shí)時(shí)監(jiān)測水文信息[9]，極大地提升了水文監(jiān)測的智能化水平;Dai等基于水調(diào)度管理模塊，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文信息監(jiān)測系統(tǒng)[10];江勇等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理、可視化顯示、異常報(bào)警及處理等功能。

　　綜合以上文獻(xiàn)得出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水文信息監(jiān)測系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用，集中于利用4G，ZigBee，GPRS等無線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，目前有些處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，并未真正用于監(jiān)測現(xiàn)場。本文通過研究實(shí)施自動(dòng)化水文監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位、流速水文信息的自動(dòng)采集、傳輸和處理，建立水位、流速關(guān)聯(lián)決策系統(tǒng)，并在廣西境內(nèi)建立試點(diǎn)，完善水文信息的存儲(chǔ)管理和交換，為水文數(shù)據(jù)的處理提供先進(jìn)的技術(shù)手段，為防汛抗旱、城市水務(wù)信息化、水資源管理等提供依據(jù)，滿足水利各類業(yè)務(wù)和其他行業(yè)對水文水資源預(yù)測預(yù)報(bào)的需求。

　　1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)[12]是通過射頻識別(RFID)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)與物品連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信與智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)物到物(T2T)、人到物(H2T)和人到人(H2H)的互聯(lián)，通過傳感技術(shù)將人與人之間的互聯(lián)擴(kuò)大到了物的范圍[13]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是物物相連，可實(shí)現(xiàn)所有事物之間的信息交換和通信，如圖1所示。

　　體系架構(gòu)用于指導(dǎo)具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，急需建立一個(gè)共性框架支撐物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)，隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷引入物聯(lián)網(wǎng)體系中。通常，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖2所示。

　　1.1 感知層

　　物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，感知層是基礎(chǔ)，其主要基于傳感器采集物體信息。感知層的關(guān)鍵技術(shù)包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。感知層需要解決功耗、成本等問題，并大力促使其向高靈敏度、全面的感知能力方向發(fā)展。

　　1.2 網(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層主要完成感知信息的傳送，是物聯(lián)網(wǎng)信息的承載網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等，接入網(wǎng)使物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能，接入網(wǎng)分為無線接入和有線接入等。核心網(wǎng)支持終端移動(dòng)性和異構(gòu)接入。物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備結(jié)構(gòu)不同，因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是泛在的，而且物體是移動(dòng)的，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層需要支持移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)無縫透明接入。

　　1.3 應(yīng)用層

　　應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、應(yīng)用決策等，最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。該層涉及大量數(shù)據(jù)的智能處理、中間件、分布式計(jì)算、信息發(fā)現(xiàn)等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用均有各自不同的系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與物聯(lián)網(wǎng)接入、融合的管理平臺，因此，應(yīng)用層需要一個(gè)通用框架，以滿足物聯(lián)網(wǎng)各行業(yè)的個(gè)性化應(yīng)用。

　　物聯(lián)網(wǎng)的特征是物物相連，無需人工干預(yù)，極大地提高了效率，同時(shí)也降低了人工導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。物聯(lián)網(wǎng)把傳統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)延伸到更為廣泛的物理世界。將“物”納入“網(wǎng)”中是信息化發(fā)展的一大趨勢。

　　2 物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測系統(tǒng)

　　近年來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，在各個(gè)行業(yè)都有成熟的應(yīng)用典范。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，“水聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)水文監(jiān)測是水聯(lián)網(wǎng)中的一部分。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，通過關(guān)鍵技術(shù)的研究建成常規(guī)監(jiān)測與自動(dòng)監(jiān)測、固定監(jiān)測與移動(dòng)監(jiān)測相結(jié)合的現(xiàn)代化水文信息采集體系，研究開發(fā)一套集采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示于一體的自動(dòng)化水文監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用水位計(jì)、流速計(jì)對水位、流速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯集，構(gòu)建水文信息平臺，服務(wù)于防汛抗旱、城市水務(wù)信息化以及水資源監(jiān)測等多項(xiàng)業(yè)務(wù)管理，從而能夠切實(shí)提高水利行業(yè)管理的綜合能力和管理水平，實(shí)現(xiàn)向精細(xì)管理、動(dòng)態(tài)管理、定量管理和科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變。