水文监测系统.docx
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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址来区分不同节点，当整个网络应用后，网关节点会定时发送查询命令，在发现新的网络节点后，系统会自动加入网络节点列表，同时发送新的路由表。
除具有自组网特点外，网关节点还负责第一步的信息分析及处理，并将处理后的数据存储到嵌入式数据库以备查询。
网关节点通常个数有限，一般对功耗要求不严格，可以采用多种通信方式与其他网络节点进行通信（如Internet、卫星或移动通信网络等）。
在水文监测物联网系统中采用星型拓扑设计，可以在一个较大的水域范围内设置中心网关路由节点，以分别实现对边缘网关节点的水文数据包信号的中继和转发[6]。
远程中心监控节点是整个系统的管理中枢，用于汇集并处理各区域的水文参数，并根据分析结果提出不同的合理化建议，主要完成数据的存储与处理、数据的可视化、物联网的管理功能。
其硬件组成主要是大规模的磁盘阵列以及高性能的工作站服务器。
在整个水文监测系统硬件部署、软件参数设置完成后，就可以对部署了终端传感器节点的水区域进行水文参数的主动监测。
其具体流程如下：
（1）远程监控中心发出控制指令，通过网关节点，启动激活终端传感器节点进行水文参数检测。
（2）终端节点处理器收到指令后，由主处理器对命令进行解码。
若节点地址与控制指令中的地址一致，则启动传感器进行水文参数采集，并将最终采集到的数据传送给节点处理器。
节点主处理器捕获到测量数据后，再进行相关数据的分析、融合，并将水文数据打包成符合6LoWPAN协议标准的数据帧，然后加入包头、节点编号等信息后送到射频模块进行数据的发射，同时也可在该节点实现其他节点的路由转发。
（3）中心节点汇聚各个终端节点参数，发出相应控制指令。
2软件系统集成及设计
水文监测系统的管理功能比较复杂，任务多样，需要监测的水文参数种类多，仅目前就包括水温、水位、PH值等参数测试，而且为了今后的拓展，还必须为今后其他水文参数测试预留软件接口。
同时，水文参数测试结果的通信方式的种类差异也较大，软件设计涉及大量的网络通信程序设计以及数据库设计管理工作。
为便于不同模块的接口，软件设计整体应采用一致性、模块化设计。
所有节点开发和应用平台可选用Linux操作系统，因为Linux系统成熟稳定、源代码开放，尤其在网络通信方面有其独到的优势。
终端节点由于其节电性方面的要求，可采用裁剪后的最小嵌入式Linux操作系统，网关节点采用普通嵌入式Linux操作系统，而中心节点则采用完整的Linux系统，这种软件平台架构保证了整个系统的软件一致性，以便于以后的保障和维护。
2.1终端节点的软件设计
终端节点的硬件平台主要包括核心控制器、I/O接口、存储模块及射频收发模块等，其硬件构成决定了终端节点采用裁剪后的最小嵌入式Linux操作系统比较符合终端节点特性。
同时，由于终端节点以及物联网组网的特殊性，其通信协议不可能采用完整的IP协议栈，而必须采用修改后能适用本系统的网络协议栈来实现报文的分片和重组、报头压缩和地址自动配置、组播和安全。
协议栈数据帧格式符合IEEE802.15.4，其水文参数测试协议帧格式如图2所示，其中MAC负载部分包括上层协议帧控制信息、水文参数、传感器节点号等信息。
图2水文参数测试协议帧格式
作为终端节点，软件节能设计是其中的一个重要考虑。
为了避免节点频繁进入暂停工作等待充电的工作模式，减少无用数据的采集和传输，传感器节点采用基于阈值的工作方式：
当监测数据的大小在报告阈值以内时，不予发送，当监测数据的大小超过报告阈值而在告警阈值以内时，以较长的周期循环报告实时数据；当监测数据的大小超过告警阈值时，以较短的周期循环报告实时数据。
这样的工作方式既保证了关键实时数据的可靠获取，又减少了频繁发送无用数据的能量消耗。
2.2水文监控中心软件设计
水文监控中心应用软件的设计目标是尽可能地使得系统友好，使用户操作简单直观，对险情或者异常情况表示及告警明显。
在方案设计中，上层部分不但需要提供给用户与系统交互能力相适应的界面，还需要提供对水文参数进行归纳、综合分析等功能的实现模块以及与底层交互的通讯模块。
基于设计目标的要求，其监控中心的软件平台设计采用B/S架构，应用界面程序部分和核心平台之间采用多种耦合方式。
核心平台可以作为界面的一个功能模块DLL嵌入上层直接调用底层库函数，也可以把核心平台单独作为一个独立的进程，二者之间通过操作系统提供的进程间的管道机制实现通信。
监控中心应用程序通过核心平台实现对水文监测网络的管理，并启动终端水文监测节点来采样区域水文资料。
监控中心在收集到由路由节点转发来的水文采样数据之后，可将数据存储于后台数据库中，同时提供用户界面对水文参数进行分析处理，并采用图形方式进行显示，最终根据分析结果进行视觉或声响告警。
系统应用程序主要包括文件处理模块、系统配置模块、分析处理模块以及告警模块等4个功能模块。
监控中心软件系统平台采用Linux系统，存储数据库则采用ORACLE大型关系数据库[7-8]。
通过文件功能模块可以实现对数据的存储、调取以及打印等功能，也可以保存设置应用程序工作环境参数等功能，同时可实现对数据的永久性存储，以便于后期数据的综合化处理。
配置功能模块采用图形化的方式实现对系统节点、整个系统的网络路由以及终端传感器的参数设置，从而达到对整个水文监测系统的硬件和软件配置，包括应用程序启动时对硬件的检测以及检测通过后初始化测试所需要的软硬件环境。
分析处理模块是整个监控中心的核心模块，主要包括水文数据的分析、归类、比较、模型建立、数据归一化处理以及对数据曲线进行描绘和显示等功能。
大致的功能包括下列4个方面：
（1）结合地理信息系统，将所有终端节点的位置及其实时数据显示在地图上，这样可实现监测者快速定位水文终端节点地理坐标，全局监测整个水域的水文信息情况；
（2）以时间坐标为基轴，将所有终端节点的历史或实时数据显示在以时间为横轴的曲线图上，以便于监测者分析一段时间内水文参数的变化情况，进而结合其他监测信息分析发生的原因，完善预警机制；
（3）基于节点标识的展示，对所有节点按网络内的标识大小进行整体的实时数据和节点状态显示，以便监测者抽取导出监测数据，同时观察节点异常状态，对整个网络系统进行及时有效地维护；
（4）建立水文参数模型，构建参数预测模型，建立专家系统，提供领导决策科学依据。
告警功能模块可实现对水文参数的异常情况的报警，主要实现异常节点的快速定位、进行声光报警提示以及按照设定策略进行异常处理。
报警的方式主要包括在图形界面上快速闪烁红色告警提示信息，通过扬声器发出告警提示声音[9]。
其软件整体结构如图3所示。
3系统评估
在基于物联网技术的水文监测系统中，由于大量水文采样终端节点被部署于不同的水文区域，各个终端节点间以无线自组织方式构成网络，通信方式采用的是无线通信。
由于无线信号传输存在由反射、衍射所引起的多径效应，加上节点所处环境复杂，因而导致网络通信质量受到严重影响，网络节点间通信存在较大的不稳定性。
这种情况有可能导致整个水文监测系统无法稳定的工作，采集到的水文数据不能及时、准确地传输给监控中心进行分析决策[10]。
因此，在系统成功组建后，为了保证整个系统高效、稳定地运行，还需要对整个监测系统进行评估，主要包括对终端水文采样模块物理性能的评估、网络物理层参数的评估、数据链路层参数评估、网络层参数评估、监控中心分析软件的性能评估等，并依据评估的结果采取相关策略。
图3水文监控中心软件整体框
国内外对基于物联网系统的项目在评估方面进行了大量研究，并取得了很好的应用效果。
评估方法主要包括基于通信链路特性的评估方法、基于测试参数的评估方法、结合多因素的综合评估方法等，这些评估测量手段都值得进行借鉴和参考。
具体到本项目的系统评估，则包括对终端节点的射频参数测试评估、采样水文参数精度和可靠性评估以及整个网络的通信质量和网络生命周期的评估。
只有整个网络都达到了设计的预期目标，系统所测试的水文参数才是真实和可靠的，才能用于实际的工程中。
水文监测质量的提高
1提高水文监测质量的重要性
随着我国科学技术水平的不断完善和创新，我国各项技术得到了快速发展，水文监测作为水文工作中的主要组成部分，为工程建设管理、水资源管理、优质服务生态环境，以及防汛工作等提供着强有力、可靠性的技术支持，发挥着非常重要的作用。
因此，相关部门要不断对水文监测的现状及其存在的问题进行分析，并提出切实可行的对策提高水文监测的质量，从而为水文监测质量能够社会的发展和需求提供基础和前提。
2影响水文监测质量的主要因素
2.1水文人员的素质起决定性因素
物质决定意识，意识对物质具有反作用，正确的意识能够促进事物的发展，错误的意识阻碍事物的发展。
对于水文监测工作而言，影响其质量的决定性因素就是水文人员的素质，主要包括思想政治、技术水平、职业道德等综合素质。
其中，技术水平是做好水文监测工作的根本因素，水文要素具有不可重复性，所以一旦失败，就会无法挽回，所以说技术水平对于水文监测质量的影响是最大的。
因此，组建一支业务水平高、技术过硬的人员队伍是提高水文监测质量的根本性条件。
职业道德是水文人员从事水文工作具备的基本道德素养，是工作过程中应遵循的行为准则，由于水文工作的特殊性，所以要求水文人员必须具备良好的职业道德，在日常工作中实事求是、精益求精，进而确保给社会提供真实可靠的资料。
2.2监测手段是影响水文监测质量的重要因素
随着世界经济全球化以及我国经济水平的不断发展，尤其是国际竞争的日趋激烈，科学信息技术的普及，我国各项工作也快速被信息化大潮所席卷，这种变化对于各行业的发展来说既是机遇又是挑战，水文监测工作也不例外。
近年来，计算机技术、电子技术、遥感技术，自动化技术等的发展给水文工作的进一步发展奠定了坚实的基础和前提，同时也为水文监测质量的提高提供了有利条件。
计算机等先进技术的应用大大地推动了水文工作的发展，信息技术手段的使用提高了水文监测质量和效率，减少了监测的时间，提高了监测的准确率，保证了水文监测资料的准确性和可靠性。
可以说，监测手段是影响水文监测质量的重要因素。
3水文监测质量现状以及主要问题
近年来，我国在水文方面进行了升级和改造，更新了相关水文设备，并在水文工作中运用了新技术和新仪器，在极大水平上改善了水文监测手段。
然而，与发达国家相比，我国水文工作还存在一定的差距和不足，水文监测质量还有待提高，为了使其满足社会发展的需求，相关部门要采取措施给予解决。
目前我国水文监测工作中存在的问题主要有以下几方面：
首先，水文监测设施设备的测洪能力较低。
就目前而言，虽然我国相关部门加大了水文监测的设施设备的建设力度，但是仍然存在一些问题没有解决，测洪能力就是其中较为严重的问题。
经过改造之后的水文监测设备在测量超标洪水方面仍不足，只能采取传统的方法测量特大洪水，浪费了人力、物力、财力。
其次，测速、测深，以及取沙的技术和方法需要升级。
现阶段我国在测水深、测速、采沙样方面采用的方法比较传统，这样的测验技术只适用于小型的洪水，一旦遇到较大的洪水时，其测速、测深、取沙的过程比较困难，而且单次测验所需的时间长，人工操作强度大，一旦出现失误，将无法挽回损失。
另外，采用人工形式进行操作，无法自动向计算机传输，那么水文监测资料的准确性和可靠性也将无法保障。
因此，需要升级测速、测深，取沙的技术与方法。
4提高水文监测质量的对策
4.1引进新技术以及新设备提高水文监测质量
对于我国目前的水文监测质量而言，其与西方发达国家还存在一定的差距和不足，需要相关部门和人员提出切实有效的对策进行改善和解决。
其中，水文监测技术和设备是影响其质量的关键性因素，针对这个问题，需要引进先进的技术和更新设备来解决，采用国外的先进技术，取其精华，需要注意的是，在引进先进技术的过程中，切忌盲目地引进，要根据我国水文监
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