水利水文无线监测系统方案书.docx

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水利水文无线监测系统方案书

河流、水库水文监测系统

设

计

方

案

书

（3GEVDO/WCDMA）

深圳市特力康科技有限公司

二〇一一年七月

一、前言

根据中国建设“数字水利”的目标，全面实施水利系统远程实时监控系统，对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行实时动态监控，及时采取预防与补救措施，全面提高防汛抗洪工作的有效性和可靠性，对减少洪水灾害、缓解防洪压力、保障人民生命财产安全具有重要作用。

综上所述影响河流、水库的安全因素，各超输电网局及电力公司迫切需要采取措施监视、防范影响河流、水库安全的各种情况发生。

每年4-8月份，我国很多区域进入雨季，防汛是各级政府的头等大事，在第一时间掌握所辖地区的降雨量，在第一时间掌握各河流、水库水位信息，就掌握了防汛工作的主动权。

目前，我国测量河流、水库的水位监测以及流量监测设备的技术已经非常成熟，而随着水利设施的进一步完善,加强水利设施的运行管理显得愈来愈重要,尤其是对水库枢纽区大坝的渗流监测直接关系到大坝的安全运行。

水利设施监控点一般分布在较广阔的范围内，与监控中心距离较远，同时由于河流山脉等障碍往往难以架设线缆，选用有线通信及电台通信的成本就相对比较高，因此监测部门需要一种新型的无线通信方式来实现对水位和水流量的远程监测及无线视频监控。

而采用基于无线局域网技术建立的远程无线监控系统，无需铺设网络电缆，可迅速方便地在需要监控的地方架设前端监控设备，具有很强的实用性、灵活性和可扩充性。

水利系统应用主要有湖泊水库监测、沿海潮汛潮位监测、河道水文水利监测。

我国对于江河水文的监测非常重视，在原有的水文监测点的基础上，各地的水利监测站纷纷建立了一些无人值收的水文检测点，以监测更广的水文和水利情况，包括水流速度、水面高度、水质、流量、潮位、降水量等参数、水利设施视频等。

本项目提出的“水利水文在线实时监测系统”，专业针对性很强，主要针对江河的水流速度、水面高度、水质、流量、潮位、降水量等参数、水利设施视频等监测而设计的系统。

“水利水文在线实时监测系统”是基于公网无线3GEVDO/WCDMA的数据通道为传输手段，从而实现对河流、水库情况进行在线实时监测。

同时具备强大的监控中心，既能支持告警实时抓拍图片，也能支持实时视频。

同时通过自身太阳能供电，完成全天候工作，达到实时监控的效果。

二、系统的设计原则

“水利水文在线实时监测系统”设计本着合理、实用、可行、可靠原则，组网简单、扩容方便、标准开放、功能全面，适用于大中型的多点、远程、实时、集中监控系统，实现集散式监控、报警、录像、智能化检索、系统管理及设备在线维护等诸多功能；保证最大限度地发挥用户的资金效用；采用当今先进、成熟的技术设备，力求软硬件系统具备最高的性能价格比；具体概括为以下几个方面：

2.1系统的可靠性、稳定性

系统是建立在3GEVDO/WCDMA通信平台上，设备具备在恶劣环境（狂风、暴雨、冰雪）下持续正常工作的能力，整机可长时间连续工作（≥10000小时）。

2.2系统的安全性

系统采用MD5算法实现与ICP之间的相互认证。

当需要安全的数据传输时，可采用TLS层连接。

采用防火墙技术来保证物理层、链路层及IP层的安全，可根据传输业务类型的不同设定不同安全级别、选择不同的加密算法进行加密，可支持DES，RSA加密算法。

多媒体数据通信采用DRM加密，控制指令及数据通信采用SSL加密。

2.3系统的可操作性

产品操作简单，使用方便，无须记忆复杂的操作方法或指令，在初次安装时进行相关的设置，而全部的初次设置由专业人员完成.

2.4系统的可扩展性

系统设计留有充分的余地，以便日后比较方便地进行系统扩容。

2.5系统的先进性

设备集无线通信、嵌入式系统、图像压缩、DSP等多种先进技术于一身，用户可以通过各种途径查看现场的实时照片，无论用户身处何方，都可以随时随地获取所关切的监控现场信息。

2.6系统的可维护性

设备可以通过授权用户进行远程控制、管理、维护，只需短信就可以配置设备的各种参数，无需人员到基站进行现场设置，节约时间和运输成本。

2.7系统的性价比

该系统比传统有线视频监控成本造价低，技术更先进，功能更强，技术延续性和可升级性更强。

三、系统的设计要求

1、项目目的：

系统应在任何时候都能对河流、水库进行有效监测，以便及线路时了解的情况。

包括以下部分：

（1）河流、水库的水位监测

（2）河流、水库的水面视频监控

（3）河流、水库的水流速度监测

（4）河流、水库的浑浊度监测

（5）河流、水库的水质的PH值检测

2、通讯方式：

系统应能兼容GPRS/EDGE/3GEVDO/WCDMA通讯网络，只要有3GEVDO/WCDMA信号的地方均可使用、不用自建、维护通讯网络，通讯距离不受限制。

3、供电方式：

系统采用市电或者太阳能电源供电。

4、视频采集：

系统应采用专业云台恒速球摄像机，具有抗干扰、耐高低温、图像清晰、监控距离远等特点。

5、数据采集：

系统可以采集河流水库的水流速度、水位、水质、潮位、降水量数据，通过无线公网传输到监控中心，并作出分析判断。

6、系统安装：

系统应能不停电即可安装，安装地点灵活方便，装置拆卸方便，在该测点不需要监控时可自行安装到其他监控点。

7、抗高低温：

系统自身能在低温条件下工作。

8、防雷设计：

室外设备要具有防雷设计。

9、防水防腐：

室外设备要具有防水防腐蚀设计。

10、预警功能：

系统可实现预警功能，当有外触发告警、水位等告警时可同时启动摄像机拍照或录像，照片或视频可及时传回中心并存储。

四、系统功能

4.1技术性能参数

4.1.1视频显示功能

1、树形方式展开选择所需监控的视频，可实时监视河流、水库各水面视频信息，可实时监视同一线路多水面实时视频并实现一机同屏同时监视；

2、多站点登录、连接；能同时支持1000个在线站点；

3、客户端具备画面布局方案选择功能，支持单画面、4画面、9画面，16画面切换功能。

4、系统具有鼠标拖放用显示站点：

可用鼠标将一个显示站点从一个窗口拖放到另外一个窗口，该功能方便用户按实际需要随时调整显示窗口布局。

5、系统支持所有在线站点自动轮巡，轮巡时间可设置；

6、系统支持对远程图像/视频分辨率设置，压缩比设置；

7、系统支持对摄像机云台的远程控制，具备远程手动调焦，光圈调节；

8、系统对于同一摄像机可设至少8个预置位，可预先设好预置位，直接点击浏览观看；同时可以手动巡航或者上下左右微调观看视频；

9、系统可设定时间段拍照片，如早上7：

00到晚上18:

00这样一个时间段，其余时段不启动，保证设备的正常运行。

4.1.2录像管理

1、监控中心具有远程设置站端系统并集中在中心录像存储功能，采用以秒为单位的视频流方式存储策略，实现对站端系统采集到的视频信号定时录像、手动录像、告警触发录像等；

2、监控中心可对任意视频进行手动录像，对任一帧实时视频以图片格式进行抓拍和存放。

3、以人机界面方式统一管理和观看历史视频和图片，可按告警事件、时间段、摄像机等组合条件检索；

4、具备回放视频单帧抓拍和连续抓拍能力；

5、具有硬盘空间管理功能，硬盘空间不足时报警。

4.1.3远程控制要求

1、系统具有对河流、水库水面进行监视，通过3G/GPRS/EDGE/CDMA1X无线通信网络通道，将被监视的目标实时图像及报警信号上传到监控中心，并实现控制功能。

2、操作人员可以通过监控主机对河流、水库设备或现场进行监视，对河流、水库已安装的摄像机控制（左右、上下、远景/近景、近焦/远焦），画面切换和数字录像装置的控制。

能对任一摄像机进行控制，实现对摄像机方位、焦距、景深的调整，对于带预置点云台，操作人员能直接进行云台的预置和操作。

3、系统可以远程打开或关闭摄像机电源，达到省电运行的目的；

4.1.4告警管理

1、所有告警信息均在告警窗实时显示，显示内容包括日期时间、地区及塔基名、监控设备、告警内容；

2、客户端浏览器上选择响的事件类型和响方式，有告警事件发生时，浏览器软件会弹出提示窗口并用声音提示。

3、系统具有实现告警联动，系统具有告警后联动启动视频，并自动录像（录像时间可设定）；

4、报警信息储存管理，实现报警联动录像，可以多种方式查询报警信息，有需要时可打印输出。

4.1.5技术性能指标参数

1、系统整机具有防高磁、防水、耐老化、耐高温、抗腐蚀性能；

2、太阳能板单块尺寸不超过500mm*750mm；

3、蓄电池必须置于主机内，整机重量不得大于20kg；

4、蓄电池容量66AH，终端待机状态下续航能力强；

5、摄像角度要求：

水平360°、上下＋3°～－90°，无盲角全方位监控；

6、录像及告警信息数据能至少保存一个月；

7、实时视频画面调出响时间≤20秒,调出率保证在90%以上；

8、视频控制切换响时间≤20秒；

9、监控视频显示与实际事件发生时间差≤20秒；

10、用户登录时间≤20秒；

11、单台工作站最大视频浏览数量≥16；

4.2系统后端软件技术参数

1、本系统软件按照C/S客户端/服务器两层架构的原则，将本文件所描述的业务功能和相关需求进行集中、统一的规划和整合，使本系统成为一体化的、信息资源充分共享的综合性的业务处理平台；

2、安全性：

用户认证、授权和访问控制，用户认证采用授权用户及密码认证的方式。

3、易用性：

具有良好的简体中文操作界面、详细的帮助信息，系统参数的维护与管理通过操作界面完成。

在所有操作界面中的字体、颜色、布局、按钮等该使用相同的风格和操作方式，方便操作。

4、软件架构参数

系统由图像编码器（也称为前端）、图像监控流媒体服务器、客户端浏览器监控软件组成，图像编码器将实时采集的图像经压缩编码后，通过无线3G/GPRS/EDGE/CDMA1X网络发送到流媒体服务器，客户端浏览器监控软件登录图像服务器站点，实现实时图像浏览、监控。

a.流媒体服务器监控软件

服务器由图像监控服务器和存储服务器组成，图像监控服务器负责整个系统的连接和运行，存储服务器是可选组件，主要用于集中存储图像数据文件。

同时，采用静态IP地址配套使用，方便图像编码器的配置和管理。

b.客户端浏览器监控软件

客户端浏览器由监控器和播放器组成，包括客户端浏览器监控（主要用于台式PC或移动笔记本）；监控器用于实时浏览、管理图像，播放器用于播放存储的图像文件，使用监控器软件登录图像服务器站点，能够实现多画面图像浏览监控，同时提供多站点（服务器）登录、图像参数控制、PTZ控制、逻辑分组和分组轮跳等功能。

5、软件功能参数：

（1）软件具备用户界面友好，操作方便；

（2）软件支持多站点登录、连接，能同时支持1000个在线站点；

（3）软件支持设置为实时视频模式和图片模式；

（4）软件支持所有在线站点自动轮巡，轮巡时间可设置；

（5）软件支持单个在线站点各个视频通道可自动循环显示图片，循环时间可设置；

（6）软件支持客户端浏览器查询历史图片功能；

（7）软件支持客户端浏览器能自动定时将在线站点的图片自动更新

（8）软件支持手动抓取站点实时图片

（9）软件支持图片和视频的分辨率能达到704*576

（10）软件支持画面布局方案选择功能，支持单画面、4画面、9画面，16画面切换功能。

（11）软件具备断线自动重连；

（12）软件具备对远程图像/视频分辨率设置，压缩比设置；

（13）软件具备对摄像机云台的远程控制，具备远程手动调焦，光圈调节；

（14）软件具备事件短信提示、报警短信提示；

4.3系统前端硬件技术参数

4.3.1视频压缩编码单元

1、具有采集河流、水库监控对象的视频图像，经过压缩编码采用3G网络传输到监控中心功能。

2、具有4路视频输入接口，内置双模式视频压缩编码器单元，压缩模式可在线选择，最高分辨率704x576（PAL）

3、具有高质量CAMEC-I/II活动视频压缩编码，可选160x120-704x576多种格式

4、具有JPEG静止图像压缩编码，可选160x120-704x576多种格式

5、具有485总线通讯口可控制云台镜头，可连接串行用户设备

6、具有一路数字量输入/输出，支持外部开关量触发，支持报警前后现场录像

4.3.2数据采集单元

1、具有采集河流、水库水位、水质、水速的数据，经过处理后采用3G网络传输到监控中心功能。

2、支持双向测控数据复用，1路视频+2路双向串行数据可同时传输；

4.3.3无线通讯单元

1、要求采用嵌入式设计，内置3G/GPRS/EDGE/CDMA1X无线单元，独立工作，体积小，功耗低，高可靠；

2、传输速度要求：

平均15帧/秒（彩色CIF，3G）

3、系统内置3G/GPRS/EDGE/CDMA1X网络通讯控制协议及TCP/IP协议

4、系统支持动态域名或静态IP地址方式，支持域名解析，多种触发启动模式

5、系统支持视频及音频通道；

4.3.4智能摄像机单元

1、外观功能：

外观全球型专为全天候环境设计，摄像机机箱要求是金属外罩，具有防高磁、防水、耐老化、耐高温、抗腐蚀；

2、供电功能：

采用市电或者太阳能及蓄电池供电。

3、防雷功能：

二级防雷技术有效提高球机的防雷击和抗干扰能力。

4、电机功能：

采用先进的步进电机和驱动电路来实现运转，运转平稳，连续工作时间长，使用寿命长，可靠性高。

5、解码板功能：

内置解码板支持多种主流协议，波特率可调，并可根据用户需求写入其它多种协议。

6、摄像角度功能：

水平360°、上下＋3°～－90°，无盲角全方位监控。

7、具体参数如下：

（1）图像传感器：

1/3”SONYSuperHADCCD

（2）放大倍数18倍光学变焦；

（3）水平解析度：

彩色480TVL，黑白600TVL（双滤光片自动转换）

（4）最低照度：

0.7Lux

（5）信噪比≥50dB

（6）电子快门：

1/1至1/10000秒，22档

（7）控制方式：

RS-232C/RS-485（选配）

（8）镜头变倍速度：

可调（5秒/7秒/9秒）

（9）背光补偿：

ON/OFF

（10）自动增益：

自动/手动（-3至28dB段,2dB/档）

（11）视频输出：

1.0Vp-p，75欧姆（BNC）

（12）通讯方式:

RS485总线控制方式

（13）波特率:

1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、可调

（14）供电电源：

DC12V（4A）-DC15V（4A）

（15）功率：

3.3W（电机激活）

（16）工作温度：

-40℃-60℃（有温控）

（17）工作湿度：

90%RH

4.3.5智能微气象监测单元

前端监测终端主要由多参数测量气象传感器，它集成了风速，风向，温度，湿度，大气压力共五种参数的测量，它具有结构紧凑，没有任何移动部件，坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准。

技术参数

规格：

直径170mm，高度250mm；金属外壳，重量约2.5KG

1、风速

（1）测量原理：

超声波

（2）测量范围：

0－60米/秒

（3）分辨率：

0.1m/s

（4）测量精度：

±0.2米/秒（当风速在0～5米/秒范围内）

2、风向

（1）测量原理：

超声波

（2）测量范围：

0～359.9°全方位，无盲区

（3）分辨率：

0.1°度

（4）精确度：

±3°度

3、温度

（1）测量原理：

二极管结电压测温度

（2）测量范围：

-40～+123.8℃

（3）分辨率：

0.1℃

（4）测量精度：

±0.3℃典型值

4、湿度

（1）测量原理：

电容式

（2）测量范围：

0－100%RH

（3）分辨率：

0.05%

（4）测量精度：

±2%RH典型值

5、气压

（1）测量范围：

10－1100HPa

（2）测量精度：

±0.5HPa（25℃）

（3）分辨率：

0.1HPa

6、其它参数

（1）防护等级：

IP64

（2）防爆等级：

本安型IA级

（3）工作温度：

－40℃～＋70℃

（4）工作湿度：

R5%～100%

（5）防冰冻：

三个月的盐雾、冷凝试验后无腐蚀

（6）防沙尘：

参照MILSTD810E

（7）EMC：

IEC61000-4-5

（8）电源：

12－30VDC50mA

4.3.6河流、水库水位探测单元

水位计长度:

50cm--400cm特长可定制

检测水位变幅:

1cm--10000cm

分辨率:

精度：

1cm.（1％米）

绝对误差:

精度：

±1cm

环境温度：

－40～70℃

外形尺寸:

圆柱形￠4.0cm，￠7.0cm

方形截面：

3.8cm×2.1cm

安装方式:

贴壁固定.管内悬挂.独立垂直固定

适用范围:

江、河、湖,海潮夕水文水位测报

4.3.7河流、水库水流速度探测单元

流量范围：

0---15m3/s

精度：

2mm

分辨率：

1mm

灵敏度：

0.001m

环境温度：

-20℃～+70℃

4.3.8河流、水库水质浑浊度探测单元

􀁺监测浊度参数，配有最先进、可靠的超声波清洗元件，保证探头可以长期

可靠地运行，只需最少的保养。

􀁺范围：

传感器，0—50NTU和0—1000NTU

􀁺精度：

±5%，全量程

􀁺工作电压：

传感器，10—36Vdc@40ms；电流消耗：

31mA

􀁺工作温度范围：

-40——50℃

􀁺压力：

0—50psi

􀁺电缆长度：

传感器，标准25'，可延长至500'；测量表，标准10'，可选择

100'具

4.3.9电池供电单元

1、具有稳定的充放电过压，过流保护功能；

2、蓄电池：

容量66AH

3、重量：

3kg

4、工作温度：

-30℃-60℃

5、寿命：

3-5年

4.3.10充放电保护单元

1、具有稳定电压、电流作用；

2、具有多级防雷；

3、具有充电保护、放电保护功能

4、工作温度：

-40℃-60℃

4.3.11箱体、安装夹具及辅材单元

1、所用附件、配件、结构件、固定件都需采用防水、防腐、防锈、防污处理。

2、具有防水、防高磁、防腐蚀等特性，保护内置设备；

3、箱体、安装夹具及辅材要设计合理，安装方便，具有多种规格的卡具，便于各种电力铁塔的安装。

4、线材防老化特性

5、工作温度：

-40℃-60℃

4.4安装和运输

1、主要原则：

结构合理，重量轻，尽可能灵巧，便于安装、包装和运输。

在卖方的指导下，完成前端装置的安装（如有安装的资质，可在买方的监督下，组织安装）。

2、整套系统标明生产厂家、型号、电压、规格、生产年份和序列号等不易脱落的标志，必要的警告文字和符号，符合国家和国际标准。

3、每套系统有制造厂的产品质量检验合格证。

4、设计合理，安装方便，具有多种规格的卡具，便于各种电力铁塔的安装。

所配附件、支架等（具体由招标完后，再确定），也需便于组装和安装。

5、整套设备及附件、支架由卖方提供，安装。

6、所用附件、配件、结构件、固定件都需采用防水、防腐、防锈、防污处理。

7、随视频监控系统一起提供的技术文件：

产品包装清单、产品出厂合格证明书及主要外购件的产品的合格证，安装、包装和运输使用及维护说明书（中文）等完整无缺，并装在不透水的袋内。

五、系统的工作组成

5.1无线视频监控系统工作原理

视频和数据采集主机将摄像头视频数据、水位、水流速度、水质、PH值等数据，经过数字化、压缩编码后，通过GPRS/EDGE/CDMA1X/3GEVDO/WCDMA无线网络、internet网送到监控中心，在监控中心上对视频流和数据信号进行解码，即可看到摄像头拍摄的现场视频画面，将河流水位、水流速度、水质、PH值数据通过数字和图表形式直观显示在屏幕上。

具体为，通过远程数据图像采集器采集模拟视频信号及水位、水流速度、水质、PH值等数据，然后把图像数据及水位、水流速度、水质、PH值数据进行数字化压缩编码，最后利用GPRS/EDGE/CDMA1X/3GEVDO/WCDMA无线传输模块将图片及现场数据以IP包的方式发送到数据监控服务器。

监控服务器和监控客户端分别是装有远程监控服务端软件和客户端软件的PC机，它们都连接在互连网络上，由于远程图像及数据采集器没有固定的IP地址，所以客户端主动去浏览监控图像和设置监控参数都是通过服务器来中转的。

监控中心通过图像及数据监控客户端实时浏览观测各监控点的现场情况，维护监控人员通过从现场发送来的水位、水流速度、水质、PH值等数据进行分析比对，如出现异常的预警信息，即立刻作出相应的应急处理。

5.2河流、水库在线监测系统示意图

5.3河流、水库在线监测系统涉及技术

“河流、水库在线监测系统”项目所涉及的技术包括：

1、图像数据采集压缩编解码技术；

2、3G无线公网数据传输技术；

3、传感器探测技术；

4、太阳能及蓄电池供电技术；

5、信号处理及诊断技术；

6、报警阀值评价标准；

7、电子低温环境加热技术；

8、监控中心服务器软件管理技术；

下面一一阐述项目相关技术情况如下：

1、图像数据采集压缩编解码技术；

本项目采用H.264+优化压缩编码技术、单卡3G通道传输技术、网络编码自适应技术等技术；基于高性能DSP平台,采用ARM嵌入式设计思路,支持多种网络传输协议,支持动态域名解析可与PPPOE上网链路轻松接入；支持双向语音传输,支持高清视频传输，支持图片实时抓拍，解决超远距离无线图像传输的问题。

其主要包括：

H.264+优化后压缩编码技术；多线程处理等技术；网络编码自适应技术；流媒体转发技术；数字模糊算法模型技术等。

2、3G无线公网数据传输技术；

3G无线公网数据传输技术是第三代移动通信技术的简称是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，是一项全新的网络技术，可以为治安防控提供视频图像和声音，同步实现数据的远程采集、传输、储存和处理功能，具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强、无需铺设电缆、投资成本低等优势。

数据传输原理如下图所示，在移动3G信号覆盖区域内，充分利用3G公共网络通信平台，实现中心对多点的数据传输；在无移动信号覆盖区域内，可以借助无线数传电台，通过无线与无线的接力，实现数据传输。

数据传输原理图

3、传感器探测技术；

传感器是“河流、水库在线监测系统”的的首要部件，是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。

传感器应准确的和快速地响应被测量的各种各样的变动，主要通过其两个基本特性——静态特性和动态特性来反映被测量的这种变动性。

“河流、水库在线监测系统”的传感器主要采集视频数据，水位、水流速度等数据；

4、太阳能及蓄电池供电技术；

一般情况下安装河流、水库野外现场的监测装置没有可供使用的交流电源，为此必须借助能量收集技术，开发独立的供电装置。

目前在河流、水库监控项目主要利用太阳能电源装置，以此解决监测装置的供电问题。

太阳光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。

它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。

硅系列太阳能电池中，单晶硅和多晶硅电池继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和