文/陳小英

遠程水文測報系統(tǒng)是一種由傳感器、計算機和移動通信等設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，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(shè)備、遠程遙測終端(RTU)、網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代信息技術(shù)進行遠程采集、傳輸水文信息的自動化系統(tǒng)。遠程水文測報系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對水利的有效調(diào)度，加強對水文數(shù)據(jù)信息的有效處理，從而促進水文工作的高效率發(fā)展，實現(xiàn)防洪減災(zāi)的目的?！端母锇l(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出，“完善水文監(jiān)測站網(wǎng)體系，提高自動化監(jiān)測水平”是完善江河綜合防洪減災(zāi)體系的重要工作任務(wù)。因此遠程水文測報系統(tǒng)需要隨著科技進步進行不斷技術(shù)變革創(chuàng)新。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水文遠程測報系統(tǒng)發(fā)展的歷史經(jīng)過三個時期，第一階段為1975年至 1990年，水文遙測系統(tǒng)的工作方式基本采用查詢應(yīng)答式，數(shù)據(jù)傳輸方式采用振幅鍵控、音頻濾波、積分判決等調(diào)制手段，通信技術(shù)十分落后，傳輸速率非常低，測報數(shù)據(jù)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(yīng)答式方式一并使用，采用超短波通信、有線傳輸、衛(wèi)星通信等數(shù)據(jù)傳輸方式，可以實現(xiàn)跨流域、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，但是采集的數(shù)據(jù)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(yīng)答的混合工作方式，數(shù)據(jù)傳輸方式則采用短波、微波、衛(wèi)星等取代超短波，實現(xiàn)了真正的跨地域聯(lián)網(wǎng)，水文數(shù)據(jù)可以實時共享。

我國水情遙測數(shù)據(jù)的傳輸方式隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展不斷變化。70年代中至80年代中期，數(shù)據(jù)主要采用國外進口的無線超短波設(shè)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(nèi)研究所和高校自行研發(fā)超短波遙測設(shè)備。90年代開始應(yīng)用包括超短波、衛(wèi)星、PSTN有線公網(wǎng)等數(shù)據(jù)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(xù)利用INTERNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM短信方式進行傳輸，但是沒有得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。2002年5月，中國移動正式推出了商用的GPRS移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

目前我國水文監(jiān)測系統(tǒng)最常使用的數(shù)據(jù)傳輸方式有：超短波、衛(wèi)星通信以及GPRS通信。當(dāng)前新興的通信技術(shù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)以其廣覆蓋、大容量、低功耗、低成本的優(yōu)勢全面超越其他技術(shù)，是一種最適合長距離、多終端物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋公共事業(yè)、智慧城市、電子消費、設(shè)備管理、智能建筑等不同的垂直應(yīng)用場景。因此有理由相信窄帶物聯(lián)網(wǎng)未來在水文遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用方面也會有長足的發(fā)展。

圖1

2 研究內(nèi)容

設(shè)計開發(fā)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸信道的水文測報系統(tǒng)，項目開發(fā)包括數(shù)據(jù)傳輸單元的硬件部分和軟件部分，綜合考慮系統(tǒng)采集通訊部分功能要求、穩(wěn)定性、低功耗、可拓展和低成本等因素，吸收其他現(xiàn)有系統(tǒng)優(yōu)良穩(wěn)定設(shè)計方案，選擇合理主控芯片及外圍器件進行設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)終端多信道數(shù)據(jù)可靠采集傳輸。水文測報系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送模式（窄帶物聯(lián)網(wǎng)），從硬件上可以兼顧系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)信道完美融合。實現(xiàn)系統(tǒng)水文遠程測試，支持各類監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)總體組成框圖如圖1。

遠程水文測報系統(tǒng)總體功能:

（1）系統(tǒng)遙測站點采用超短波自報式和窄帶物聯(lián)網(wǎng)雙信道主備工作模式。當(dāng)雨量變化1MM或水位變化1CM時，遙測站通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)信道報送數(shù)據(jù)，當(dāng)報送不成功后自動啟用超短波發(fā)送本站數(shù)據(jù)信息。測站支持窄帶物聯(lián)網(wǎng)信道召測及遠程參數(shù)設(shè)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(fā)送的水位、雨量、電壓等水情數(shù)據(jù)。

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

（4）系統(tǒng)測站內(nèi)含固態(tài)存儲器，確保數(shù)據(jù)現(xiàn)場長期存儲，支持遠程或現(xiàn)場讀取存儲的數(shù)據(jù)。具有液晶屏中文顯示及人工置數(shù)功能。

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

（6）具有完善可靠的防雷保護，與外界聯(lián)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(shè)計，遙測設(shè)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(xù)30天陰雨天氣條件下正常工作。

遠程水文測報系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：

（1）工作頻段：220～240MHz

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率：300～1200bps

（3）數(shù)據(jù)暢通率：≥99%

（4）數(shù)據(jù)通信誤碼率：優(yōu)于10-6

（5）系統(tǒng)MTBF≥16000 h

（6）雨量分辨力：1mm

（7）水位分辨力：1cm

系統(tǒng)傳輸終端程序采用 keil 為開發(fā)平臺和uCOS-II 操作系統(tǒng)。Keil 軟件提供了豐富的庫數(shù)據(jù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具以及友好的界面， 在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)優(yōu)勢；uCOS-II 是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的硬實時(Hard Real Time)多任務(wù)內(nèi)核它的內(nèi)核精簡多任務(wù)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(yīng)用廣泛適應(yīng)性強，從8 位到64 位處理器都可以移植。根據(jù)對水文遠程監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析需要進行終端程序設(shè)計。

軟件具有如下功能：

（1）接收本系統(tǒng)遙測站發(fā)送的超短波和窄帶物理網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（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(shù)。

（4）自動整合入庫接收到的超短波和窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，能有效防止雨量冒大數(shù)，水位跳變等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)判斷入庫現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫。

（5）根據(jù)數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)情況判斷顯示各測站運行狀態(tài)。

（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(xiàn)的遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)的完整的采集傳輸過程是：

（1）實現(xiàn)終端定時向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)功能，水文數(shù)據(jù)采集終端定時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：時間、降雨量、水位，然后通過數(shù)據(jù)傳輸單元NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)給中心站。

（2）實現(xiàn)中心站召測功能，監(jiān)控中心站向水文采集終端發(fā)送指令，通過數(shù)據(jù)傳輸單元NB-IOT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端，終端接收命令后，再傳輸水文數(shù)據(jù)給中心站。

3 結(jié)束語

2017年是窄帶物聯(lián)網(wǎng)商用元年，在頂層設(shè)計中建設(shè)窄帶物聯(lián)網(wǎng)是信息通信業(yè)“十三五”規(guī)劃中的重點工程，未來我國將加快窄帶物聯(lián)網(wǎng)商用進程。各大運營商已經(jīng)積極試點部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有低功耗、低成本、高覆蓋、強連接等的優(yōu)勢運用在遠程水文測報系統(tǒng)將全面提升水文測報傳輸?shù)募皶r性、穩(wěn)定性、安全性、實用性，可以在水利行業(yè)進行全面推廣。