基于物联网的水文监测系统关键技术研究

　　摘 要：水文监测在洪涝灾害预防与治理中起着关键作用，针对传统水文监测方法无法实时测量、无法获得全面数据、无法准确分析结果等问题，提出应用物联网技术，基于水位与流速传感器建立一套物联网水文监测系统，探讨传感器智能接口开发、数据融合与智库实现及传感器、无线网络与智库集成等关键技术，开发了物联网水文监测系统软件，并通过室内试验与室外试点证明了该系统运行稳定，达到了预期的功能和效果，为水文监测系统的建设提供了一种新方法。

　　关键词：物联网;水文监测;传感器;实时测量;无线网络;数据传输

　　《物联网技术》杂志是目前国内第一本经国家新闻出版总署批准，手续齐全的物联网专业科技期刊。物联网是继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次革命，据美国独立市场研究机构Forreter预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，将形成下一个上万亿元规模的高科技市场。

　　0 引 言

　　我国疆域广阔，河流湖泊众多，丰富的水资源极大地促进了农业发展，但洪涝灾害也给人民群众带来了不小的财产损失和生命威胁。洪灾治理经常采用预防为主的方式，洪灾预防首先要对河流进行实时监测，然后对采集到的实时数据进行分析，从而能够准确预报洪水情况。传统的水文监测经常采用人工方法，定期到水库、河流等现场实施检测，但人工方法存在很多弊端，诸如无法做到实时测量、获得全面数据、准确分析结果等，甚至在一些偏远区域，人工监测无法实施，致使该区域数据无法获取。

　　基于上述问题，建设现代化水文监测系统势在必行。近年来，物联网、大数据等信息技术的大力发展，推动了水文信息化建设出现长足进步，克服了传统人工观测方式的不足。在基于物联网的水文监测方面，已经有众多学者实施了研究，诸如，贾琳娜等以船只搭载传感器作为物联网感知层的移动节点，提出一种基于物联网的水情测报系统[1];王慧斌等提出一种基于CPS体系架构的水文自动测报物联网系统[2]，具备“实时感知-物信互联-过程跟踪-智能处理”的特征;吴春祥等依托4G无线网络与岸端水文数据监测中心构建了一个智能化水文自动测报系统[3];李杰采用物联网技术构建丹东市水文监测信息系统[4]，可提高区域水文信息监测效率;熊万提出利用ZigBee无线传感器网络技术以及W5500以太网模块组成监控系统[5]，以实现水文信息的实时监测;马朝从硬件平台构建和软件集成设计两个方面，探讨了基于物联网的水文监测信息系统架构[6];晋美次旦等提出一种基于物联网的水文监测系统[7]，可提高水文监测系统的智能化水平;张云等构建了基于物联网的水文监测系统[8]，利用ZigBee技术在小范围无线通信方面的优点，结合水文预报的实际现场情况，采用树形拓扑结构组建无线自动水文监测网络;张洋洋等基于ZigBee和GPRS实时监测水文信息[9]，极大地提升了水文监测的智能化水平;Dai等基于水调度管理模块，构建了基于物联网的水文信息监测系统[10];江勇等提出了基于物联网的水文监测系统[11]，该系统具有实时处理、可视化显示、异常报警及处理等功能。

　　综合以上文献得出，物联网技术在水文信息监测系统中得到了一定的应用，集中于利用4G，ZigBee，GPRS等無线组网方式实现传感器数据的采集，目前有些处于实验室试验阶段，并未真正用于监测现场。本文通过研究实施自动化水文监测系统，实现水位、流速水文信息的自动采集、传输和处理，建立水位、流速关联决策系统，并在广西境内建立试点，完善水文信息的存储管理和交换，为水文数据的处理提供先进的技术手段，为防汛抗旱、城市水务信息化、水资源管理等提供依据，满足水利各类业务和其他行业对水文水资源预测预报的需求。

　　1 物联网体系架构

　　物联网[12]是通过射频识别(RFID)、全球定位系统(GPS)、红外感应器、激光扫描器等传感设备，按照约定协议将网络与物品连接，实现信息交换和通信与智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网系统可实现物到物(T2T)、人到物(H2T)和人到人(H2H)的互联，通过传感技术将人与人之间的互联扩大到了物的范围[13]。物联网的核心是物物相连，可实现所有事物之间的信息交换和通信，如图1所示。

　　体系架构用于指导具体的系统设计，物联网应用广泛，急需建立一个共性框架支撑物联网在各个领域的应用，同时，随着应用需求的不断发展，新技术不断引入物联网体系中。通常，物联网系统包含感知层、网络层和应用层，如图2所示。

　　1.1 感知层

　　物联网要实现万物互联，感知层是基础，其主要基于传感器采集物体信息。感知层的关键技术包括RFID技术、传感器技术、无线传感网络技术等。感知层需要解决功耗、成本等问题，并大力促使其向高灵敏度、全面的感知能力方向发展。

　　1.2 网络层

　　网络层主要完成感知信息的传送，是物联网信息的承载网络。网络层包括接入网和核心网等，接入网使物联网终端实现网络接入功能，接入网分为无线接入和有线接入等。核心网支持终端移动性和异构接入。物联网中的设备结构不同，因此，物联网应该是泛在的，而且物体是移动的，因此物联网网络层需要支持移动性，实现无缝透明接入。

　　1.3 应用层

　　应用层实现数据挖掘、应用决策等，最终实现物联网领域应用。该层涉及大量数据的智能处理、中间件、分布式计算、信息发现等技术。物联网行业应用均有各自不同的系统，没有统一的物联网标准与物联网接入、融合的管理平台，因此，应用层需要一个通用框架，以满足物联网各行业的个性化应用。

　　物联网的特征是物物相连，无需人工干预，极大地提高了效率，同时也降低了人工导致的不稳定性。物联网把传统信息通信网络延伸到更为广泛的物理世界。将“物”纳入“网”中是信息化发展的一大趋势。

　　2 物联网水文监测系统

　　近年来，物联网产业蓬勃兴起，在各个行业都有成熟的应用典范。随着物联网的发展，“水联网”时代已经到来，物联网水文监测是水联网中的一部分。应用物联网信息技术，通过关键技术的研究建成常规监测与自动监测、固定监测与移动监测相结合的现代化水文信息采集体系，研究开发一套集采集、传输、处理、存储、显示于一体的自动化水文监测系统。该系统使用水位计、流速计对水位、流速信息进行实时采集，通过无线网络或有线网络进行传输汇集，构建水文信息平台，服务于防汛抗旱、城市水务信息化以及水资源监测等多项业务管理，从而能够切实提高水利行业管理的综合能力和管理水平，实现向精细管理、动态管理、定量管理和科学管理的转变。