基于物聯網的水文監測系統關鍵技術研究

　　摘 要：水文監測在洪澇災害預防與治理中起著關鍵作用，針對傳統水文監測方法無法實時測量、無法獲得全面數據、無法準確分析結果等問題，提出應用物聯網技術，基于水位與流速傳感器建立一套物聯網水文監測系統，探討傳感器智能接口開發、數據融合與智庫實現及傳感器、無線網絡與智庫集成等關鍵技術，開發了物聯網水文監測系統軟件，并通過室內試驗與室外試點證明了該系統運行穩定，達到了預期的功能和效果，為水文監測系統的建設提供了一種新方法。

　　關鍵詞：物聯網;水文監測;傳感器;實時測量;無線網絡;數據傳輸

　　《物聯網技術》雜志是目前國內第一本經國家新聞出版總署批準，手續齊全的物聯網專業科技期刊。物聯網是繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次革命，據美國獨立市場研究機構Forreter預測，物聯網所帶來的產業價值要比互聯網大30倍，將形成下一個上萬億元規模的高科技市場。

　　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了農業發展，但洪澇災害也給人民群眾帶來了不小的財產損失和生命威脅。洪災治理經常采用預防為主的方式，洪災預防首先要對河流進行實時監測，然后對采集到的實時數據進行分析，從而能夠準確預報洪水情況。傳統的水文監測經常采用人工方法，定期到水庫、河流等現場實施檢測，但人工方法存在很多弊端，諸如無法做到實時測量、獲得全面數據、準確分析結果等，甚至在一些偏遠區域，人工監測無法實施，致使該區域數據無法獲取。

　　基于上述問題，建設現代化水文監測系統勢在必行。近年來，物聯網、大數據等信息技術的大力發展，推動了水文信息化建設出現長足進步，克服了傳統人工觀測方式的不足。在基于物聯網的水文監測方面，已經有眾多學者實施了研究，諸如，賈琳娜等以船只搭載傳感器作為物聯網感知層的移動節點，提出一種基于物聯網的水情測報系統[1];王慧斌等提出一種基于CPS體系架構的水文自動測報物聯網系統[2]，具備“實時感知-物信互聯-過程跟蹤-智能處理”的特征;吳春祥等依托4G無線網絡與岸端水文數據監測中心構建了一個智能化水文自動測報系統[3];李杰采用物聯網技術構建丹東市水文監測信息系統[4]，可提高區域水文信息監測效率;熊萬提出利用ZigBee無線傳感器網絡技術以及W5500以太網模塊組成監控系統[5]，以實現水文信息的實時監測;馬朝從硬件平臺構建和軟件集成設計兩個方面，探討了基于物聯網的水文監測信息系統架構[6];晉美次旦等提出一種基于物聯網的水文監測系統[7]，可提高水文監測系統的智能化水平;張云等構建了基于物聯網的水文監測系統[8]，利用ZigBee技術在小范圍無線通信方面的優點，結合水文預報的實際現場情況，采用樹形拓撲結構組建無線自動水文監測網絡;張洋洋等基于ZigBee和GPRS實時監測水文信息[9]，極大地提升了水文監測的智能化水平;Dai等基于水調度管理模塊，構建了基于物聯網的水文信息監測系統[10];江勇等提出了基于物聯網的水文監測系統[11]，該系統具有實時處理、可視化顯示、異常報警及處理等功能。

　　綜合以上文獻得出，物聯網技術在水文信息監測系統中得到了一定的應用，集中于利用4G，ZigBee，GPRS等無線組網方式實現傳感器數據的采集，目前有些處于實驗室試驗階段，并未真正用于監測現場。本文通過研究實施自動化水文監測系統，實現水位、流速水文信息的自動采集、傳輸和處理，建立水位、流速關聯決策系統，并在廣西境內建立試點，完善水文信息的存儲管理和交換，為水文數據的處理提供先進的技術手段，為防汛抗旱、城市水務信息化、水資源管理等提供依據，滿足水利各類業務和其他行業對水文水資源預測預報的需求。

　　1 物聯網體系架構

　　物聯網[12]是通過射頻識別(RFID)、全球定位系統(GPS)、紅外感應器、激光掃描器等傳感設備，按照約定協議將網絡與物品連接，實現信息交換和通信與智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網系統可實現物到物(T2T)、人到物(H2T)和人到人(H2H)的互聯，通過傳感技術將人與人之間的互聯擴大到了物的范圍[13]。物聯網的核心是物物相連，可實現所有事物之間的信息交換和通信，如圖1所示。

　　體系架構用于指導具體的系統設計，物聯網應用廣泛，急需建立一個共性框架支撐物聯網在各個領域的應用，同時，隨著應用需求的不斷發展，新技術不斷引入物聯網體系中。通常，物聯網系統包含感知層、網絡層和應用層，如圖2所示。

　　1.1 感知層

　　物聯網要實現萬物互聯，感知層是基礎，其主要基于傳感器采集物體信息。感知層的關鍵技術包括RFID技術、傳感器技術、無線傳感網絡技術等。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展。

　　1.2 網絡層

　　網絡層主要完成感知信息的傳送，是物聯網信息的承載網絡。網絡層包括接入網和核心網等，接入網使物聯網終端實現網絡接入功能，接入網分為無線接入和有線接入等。核心網支持終端移動性和異構接入。物聯網中的設備結構不同，因此，物聯網應該是泛在的，而且物體是移動的，因此物聯網網絡層需要支持移動性，實現無縫透明接入。

　　1.3 應用層

　　應用層實現數據挖掘、應用決策等，最終實現物聯網領域應用。該層涉及大量數據的智能處理、中間件、分布式計算、信息發現等技術。物聯網行業應用均有各自不同的系統，沒有統一的物聯網標準與物聯網接入、融合的管理平臺，因此，應用層需要一個通用框架，以滿足物聯網各行業的個性化應用。

　　物聯網的特征是物物相連，無需人工干預，極大地提高了效率，同時也降低了人工導致的不穩定性。物聯網把傳統信息通信網絡延伸到更為廣泛的物理世界。將“物”納入“網”中是信息化發展的一大趨勢。

　　2 物聯網水文監測系統

　　近年來，物聯網產業蓬勃興起，在各個行業都有成熟的應用典范。隨著物聯網的發展，“水聯網”時代已經到來，物聯網水文監測是水聯網中的一部分。應用物聯網信息技術，通過關鍵技術的研究建成常規監測與自動監測、固定監測與移動監測相結合的現代化水文信息采集體系，研究開發一套集采集、傳輸、處理、存儲、顯示于一體的自動化水文監測系統。該系統使用水位計、流速計對水位、流速信息進行實時采集，通過無線網絡或有線網絡進行傳輸匯集，構建水文信息平臺，服務于防汛抗旱、城市水務信息化以及水資源監測等多項業務管理，從而能夠切實提高水利行業管理的綜合能力和管理水平，實現向精細管理、動態管理、定量管理和科學管理的轉變。