水文监测系统

水文监测工作中的问题与对策水是生命之源，在人类的生存和发展中发挥着不可替代的作用，但是当前由水而引发的自然灾害严重威胁人们的生命和财产安全，造成了大量的财产损失和人员伤亡，因此做好水文监测工作成为社会主义现代化建设中的一个重要课题。水文监测工作涉及的范围比较广泛，且需要依靠较高的科学技术手段作为保障，特别是近年来随着水文灾害的不断加剧，对水文监测工作的质量提出了更高的要求。为此，针对当前水文监测中存在的问题，相关部门必须要加强认识，积极采取有效措施加以解决和应对，促进水文监测工作的顺利展开和发展。1水文监测工作中的问题1.1监测设施设备的测洪能力较低自从1998年发生特大洪灾以来，我国的水文监测工作取得了一定的发展，用于水文监测的基础设施建设水平有了大幅度的提高，并更新和改造了大型动力测船以及水文缆道等，使得水文监测能力和质量大大提高。但是从整体上来看，水文监测设施设备的测洪能力依然较低，主要表现在以下方面：一是改造之后的测洪能力只是能够测量到设站以来的最大洪水，对于超标洪水的监测远远不够：二是对于一些大洪水或者是特大洪水的监测依然采用的是传统的浮标测洪法，监测质量低下。1.2技术手段较为落后在当前的水文监测中，不少监测站依然是利用测深杆来测量水深，利用流速仪来测量水流速度，利用横式采样器来采取沙样等。这些测量方式在中低水测量中的准确度较高，但是监测大洪水时往往存在着测速和取沙定位困难、精准度较差的问题。并且由于单次测验所耗费的时间较长，劳动强度较大，且所测量的数据无法自动传输给计算机，使得水文监测工作的质量和效率不高。1.3水文监测人员的综合素质较低水文监测工作的好坏在很大程度上取决于水文监测人员的专业水平和自身能力，但是当前很多的水文监测人员综合素质较低，在很大程度上影响和制约了水文监测工作的质量和效率。主要表现为水文监测人员不能与时俱进，在业务技术、思想政治、以及职业道德等方面存在着一定的问题和缺陷，使得水文监测的技术水平受到限制，再加上缺乏足够的责任心和责任感，在实际的工作中存在着晚测、漏测、误测等现象，使得水文监测资料的真实性无法得到保障，对以后的防灾减灾工作产生了不利影响。1.4科技成果的推广转化工作不到位当前我国在水文监测方面所投入的经费不足，导致水文实验研究以及科技成果的推广转化工作比较薄弱，影响了水文监测工作质量的提高。到目前为止，我国的水文工作人员在水平升级、小发明、以及小创造等活动中研发出了一批有较强实用性的科研成果，但是却仅仅局限于研发单位的内部使用，并没有得到广泛推广，无法充分发挥其价值和作用。2水文监测问题的对策2.1加强水文监测队伍建设首先，要建立一支高素质高水平的职工队伍，从职称、学历、技能等方面入手，对人才结构进行合理调整，实现人力资源的优化配置，从整体上提高水文监测职工队伍的综合素质。并且要加强对职工的教育和培训工作，提高他们的专业技能和责任意识，以满足水文监测工作的实际需要；同时，还要注重对领导队伍的建设工作，提高领导管理的质量和水平。具体来说就是要加强对领导队伍的思想建设、作风建设、组织建设、以及能力建设等。2.2积极引进新技术和新设备水文监测工作的质量和效率在很大程度上要依赖于监测技术和检测设备，当前水文监测工作中的一个突出问题就是监测技术和检测设备相对落后，已经渐渐无法满足监测工作的实际需要，因此必须要积极引进新技术和新设备。具体来说就是要积极引进包括雷达、卫星等在内的多种遥感和遥测手段，提高水文监测工作的质量和时效，以满足水利工程管理和建设、以及防汛抗旱指挥的需要。同时还要积极引进有关测深、测速、以及取沙等工作的新技术和新设备，有效解决泥沙、流量测验等过程中存在的问题。2.3实现规范化、科学化的管理这就需要聘用进行质量监督管理工作的专业人才，积极健全和完善质量监督队伍，并制定质量监督管理制度，保证质量管理办法和评定标准的可行性，同时还要建立健全奖惩制度，提高工作人员工作的积极性和主动性。具体来说要想实现规范化科学化的管理就需要做到以下几点：要建立上级抽查、同级互查、以及基层自查的管理体系，从根本上保证水文监测工作的质量；要坚持预防为主和事后监督的管理方针；加强技术指导和管理工作，提前做好汛期前的准备工作，推动水文监测质量的升级。基于ZigBee的水文监测系统的设计我国是多河流、多湖泊、多水库的国家，为了能够实时、有效地对重点水域的水流量、水量的库存及水资源的开发利用，需要及时掌握重点水域地区的水位、水流速度、上下游地区的降水量、闸位等重要的数据信息。监控得到的数据信息决定了水利资源的应用背景，特别是在通信不发达的且重要的监控区域，因此采用先进的无线通信技术是很好的措施。本文采用先进ZigBee技术[1]和成熟的GPRS技术相结合，提出了实时监测新方案，从而使之能够满足监测的实时化、网络化、数字化的要求，进而保证监控的费用低、能耗低及可靠性高，满足大范围重点区域的水文监测功能要求。1基于ZigBee的水文监测系统的设计采用上述结构的系统可以实时或定时的采集数据信息，同时也可以实时或定时地将所采集的数据信息使用无线网络传送到监测中心的数据处理服务器。系统主要由以下几部分构成：（1）ZigBee无线传感器网络：主要负责水文数据的采集，并将数据通过ZigBee网络上传到汇聚节点[2]，再由汇聚节点将数据发送到GPRS网络。（2）GPRS传输网络：使用GPRS无线模块为主要通信设备，作为主要的数据传输建立无线连接，实现与互联网的通信，将所检测的数据传输的到监控中心，完成远距离传输。（3）监测中心：实现数据存储、处理以及实时、定时的远程监控，包括：现成设备的参数设定，对采集到的数据存储、分析和汇总，便于对重点监测水域状况的检测与分析。2系统硬件设计各水文监测单元一般安装在河流、水库的指定地点，长期在无人监管的环境下工作。因此，节点的微处理器应该满足高稳定性、低消耗以及小体积的原则。根据这个原则，本设计采用TI公司推出的单片、低功耗、多频段、超高频射频芯片CC2530[4-5]。传感器是监测系统实现测量、传输及控制的重要设备，主要有水位传感器、压力传感器、雨量传感器等，以水位传感器使用的最多。在本系统的设计当中，主要采用压力式水位传感器，通过它检测监控区域的数据信息。压力式水位传感器是根据不同的水位产生净水压强是不同的，测量出水压，就可以计算出水位值。传感器采用投入水位传感器，安装时安装在钻有孔的钢管中，避免动水引起测量误差。其工作过程是首先传感器输出的4-20mA模拟量信号，经A/D转换后，然后将模拟量信号输入到CC2530单片机，由CC2530完成测量数据的转换和处理，最后，将处理得到的数据信息传输至射频模块，由汇聚节点将数据信息调制成2.4GHz无线信号，进行无线传输的准备，实现无线收发器的数据传送。3终端节点程序设计3.1协调器节点的程序设计首先，数据采集节点工作后，进行传输网络的搜索，向网络协调器节点发送入网请求，当接到应答信号后，传感器节点加入了网络；之后，系统采集节点发送的发送是水位数据信息，网络协调器节点接收信息，并与系统设定的缺省值进行比较，如果超出了规定的上下限，网络协调器及时发出相应的信号给PC。3.2采集节点的程序设计4系统实验与性能分析为了验证系统的安全性和可靠性，结合水文监测系统的实际需求对系统进行了初步的测试。其中主要测试了系统节点间的通信距离、组网的延时性、网络的自愈能力、检测的原始数据的传输、减少数据丢失以及传输的功耗等进行了重点测试，同时将得到的测试结果进行了相应的分析和总结。系统由协调器、路由器、传感器节点组成的三级网络[6]，传感器节点掉电重新上电能够重新加入网络，当传感器节点的父节点离开网络时，传感器节点能够寻找其它父节点并重新加入网络。通过对整个系统实验测试，使用ZigBee无线通信技术和GPRS技术相结合，能够满足监测系统的实时准确的要求，是实现水文实时稳定监测的重要解决方案。基于物联网的水文监测系统设计我国作为一个水资源缺乏的国家，水资源应该得到充分合理的利用，水文参数监测是水资源合理利用的基础，水域水文参数资料涉及到我国的核心经济利益。相比于国外的水文监测工作而言，国内水文监测还处于起步阶段。目前的水文监测工作还是采用比较原始的工作方式，即人工采样，采用手持便携式监测仪或实验室分析。这种工作方式存在采样频率低、无法实时监控、不能反映水体水质参数的连续动态变化等缺点。同时，由于水文参数监测（如溶解氧、PH值等）往往存在分布范围广、不易到达、取样时间不固定、取样困难等特点[1]，采用现有人工取样、有线或者无线组网等方式组成测试系统通常都会存在施工困难，维护保障不容易，以及升级困难等弱点。随着网络技术和通信技术的快速发展，物联网技术由于其短距离传输、低复杂度、低功耗、自组网等特点，被广泛应用在工业控制环境检测与预报、建筑物状态监控、医疗护理、智能家居、空间探索以及军事等领域。物联网终端节点成本低廉，可以很方便地实现不同水域部署，并能保证数据采集的广度和精度，可为大范围水文资料监测提供数据基础[2]。为此，针对水文参数总体及局部监测的需求，本文提出了以水文参数检测传感器作为终端测试节点，以物联网技术作为通信平台，并以Linux系统作为软件基础平台来构建水文参数监测系统，从而实现对区域水文参数的远程实时检测。1硬件监测平台构建基于物联网技术的水文参数监测系统的硬件架构主要包括水文参数终端节点（水温测试、溶解氧测试等）、网关路由节点（中心网关、边缘网关）、远程中心监控节点等三个主要部分，每种节点完成不同的功能。基于物联网技术的水文参数监测系统与传统水文参数监测系统的不同，主要表现在新的水文监测系统的终端节点的电源管理、网络路由算法、网络通信协议以及中心监控软件系统的不同。基于物联网技术的水文监测系统结合了最新网络技术和水文参数监测技术，通信工作频段兼顾了中国和国际标准，主要包括780MHz（中国）/2.4GHz（国际）[3，4]，其实际硬件拓扑图如图1所示。图1水文监测物联网系统拓扑图在基于物联网的水文监测系统中，终端节点由许多功能相同或不同的水文监测传感器节点组成，水文监测传感器是整个监测系统的硬件基础，可用于实现多种水文参数的检测。目前的系统设计中包括水温（Campbell公司的109温度传感器）、水位（压力式水位传感器）、PH值（CS525）、溶解氧（Hamilton公司的243111-OXYGOLDGARC225溶解氧传感器），并预留了其它水文参数测试的软硬件终端接口，如流速、浑浊度等参数。终端节点通过传感器可将水文参数转变为数据调制信号，然后对射频信号进行调制，并产生已调信号，然后将已调信号通过终端节点的天线发送到网关节点进行数据的融合和汇聚。每一个水文监测终端节点都包含数据采集模块（传感器，在本系统设计中主要指水温、水位、PH值、溶解氧传感器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块，主要设计要求是低功耗，高可靠性，具有自组网功能。由于终端节点体积小，因而电源容量也非常有限，从而在设计中必须充分考虑到节点的节能优化技术，提高单位节点的工作时间，节省节点的能耗以及采用合理的网络协议。在设计中综合考量终端节点的可靠性、经济成本等多方面因素，终端节点可采用Chipcon公司的CC2430芯片作为控制核心，该芯片以IEEE802.15.4协议为基础，整合了射频（RF）前端、内存和微控制器[5]，在本系统中可分别对水温、水位、PH值、溶解氧等水文参数传感器进行控制，并最终实现参数测试。同时，也可以根据需要进行其他参数测试，所需要的工作只是加入不同的水文参数测试终端节点而已。网关路由节点用于实现整个水文监测物联网区域子网段的自协调组网以及信息处理。在水文监测物联网建立过程中，因具体应用环境不同，其工作测试的重点也不同，故对不同的子网段，需要单独进行设置。首先应由各个网关节点初始化该段子网，以避免各个终端节点之间的相互干扰，以及与其他工作相同频道设备间的信号干扰。网关节点通过给每个终端节点网络指定不同的物理地