基于物聯(lián)網(wǎng)水情測控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

關(guān)智慧　羅章海

摘要：水情監(jiān)控在水利系統(tǒng)中是必不可少，該文結(jié)合實際項目需求開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測手段多樣，表現(xiàn)形式豐富的水情系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RTU遙測終端；DM642

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）13-0038-02

Abstract： Water level monitoring is essential in hydraulic system， combined with the actual needs of the project monitoring method was developed based on the technology of Internet of things is diverse， rich form of water system.

Key words： networking； RTU remote terminal； DM642

1 概述

水資源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源，水利設(shè)施是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而適當(dāng)?shù)乃楸O(jiān)控則是保障水利設(shè)施安全運行的前提，現(xiàn)有的水情監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)運行多年，普遍存在監(jiān)控手段單一、技術(shù)落后等特點。本文結(jié)合現(xiàn)在流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀和實際需求，開發(fā)了一套監(jiān)測手段多樣，表現(xiàn)形式豐富的水情監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主要內(nèi)容

根據(jù)實際的需求本文設(shè)計開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)水情測控系統(tǒng)主要包含軟件和硬件兩部分。硬件部分主要包括：傳感網(wǎng)絡(luò)終端（傳感器）、智能相機、云臺、視頻水尺、中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等；軟件部分主要包括：智能相機嵌入式程序、工作臺上位機軟件和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫軟件。技術(shù)系統(tǒng)整體分為：感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分。通過物聯(lián)網(wǎng)、圖像識別、電子電路、通信等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，以實現(xiàn)水情測量信息采集的準(zhǔn)確性和全面性（流量、水位、降雨量、閘門控制、山洪預(yù)警等）水情控制信息的可靠性，進(jìn)而從整體上提升水情測控技術(shù)的信息化水平，以滿足水資源管理信息化建設(shè)及山洪災(zāi)害防治的現(xiàn)實需要。

2.1技術(shù)路線

整個系統(tǒng)主要由傳感水情測控終端（視頻水尺、RTU遙測終端等），數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（GPRS、CDMA等），中心服務(wù)器，上位機軟件組成。從結(jié)構(gòu)上可以將該系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次。

感知層：利用全方位的感知技術(shù)：視頻水位計、流量計、雨量計、自動化控制終端、遙測終端、自動化視頻監(jiān)測設(shè)備等傳感器技術(shù)對全區(qū)域的閘位管理、通信、動力、照明、交通、水位、實時水情圖像等相關(guān)信息進(jìn)行精確感知和實時采集。

網(wǎng)絡(luò)層：按照當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況和通信安全策略靈活選擇有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的有效傳輸。

應(yīng)用層：將系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)與綜合調(diào)度系統(tǒng)模型相結(jié)合，通過防洪調(diào)度、流量監(jiān)測、水位監(jiān)測、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，對流域水情進(jìn)行實時預(yù)報、調(diào)度等智能管理。

整個系統(tǒng)可以簡單的概括為“應(yīng)用層——網(wǎng)絡(luò)層——感知層”。其結(jié)構(gòu)如圖所示：

本項目實施重點主要有：1）感知層RTU遙測終端的開發(fā)；視頻水尺的設(shè)計與制作；2）應(yīng)用層上位機軟件、數(shù)據(jù)庫軟件的設(shè)計開發(fā)兩部分。

在視頻水尺的設(shè)計中，傳統(tǒng)的水尺在圖像處理和編碼方面已經(jīng)不能夠滿足我們的要求，傳統(tǒng)水尺主要有：

1）浮子水位計：簡單可靠、測量準(zhǔn)確，但配套測井工程造價高，對已經(jīng)完工的渠道再建測井容易破壞渠底。

2）壓力水位計：施工方便，但使用一段時間后容易受水種雜質(zhì)，泥沙淤堵，影響水位測量的準(zhǔn)確度，隨時間推移，誤差變大。

3）超聲波水位計 ：屬于非接觸測量，施工方便，但受溫度和空氣密度影響大，測量誤差有時候大于水利水文監(jiān)測的基本要求。

由此可見，目前水位測量上暫時無一種施工方便，測量精度高的，長期可靠運行的水位計。通過我單位技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)過多次試驗項目組設(shè)計了一款采用具有編碼檢錯功能的新型水尺。在圖像處理方面考慮到安裝環(huán)境的惡劣性、多變性（需要進(jìn)行全天候觀測），要的到滿足圖像處理要求的適合的圖像，就必須保證采集到的圖像具有相應(yīng)的質(zhì)量。但是現(xiàn)有智能工業(yè)相機帶自動曝光的很少，為此，項目組設(shè)計了一套新的自動曝光算法來控制熒光燈以解決全天候圖像采集的曝光問題。

應(yīng)用層上位機軟件、數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)過程中，通過socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)對RTU終端的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制，做到了設(shè)備的實時控制、上報數(shù)據(jù)即傳即得。并使用多線程技術(shù)處理并發(fā)事務(wù)，使一套上位機軟件可以同時處理和接收多個RTU終端設(shè)備的數(shù)據(jù)。上位機將RTU上報的指令處理和解析后，持久化至數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，最終以多種報表和圖形的方式展示出來。本系統(tǒng)既解決了對于偏遠(yuǎn)的遙測點采集數(shù)據(jù)的困難，又解決了紙質(zhì)數(shù)據(jù)難保存、人工統(tǒng)計易出錯等問題，同時又為決策者提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 RTU遙測終端的開發(fā)

本文涉及的RTU遙測終端采用rabbit公司的LP3500作為核心模塊，自定義設(shè)計擴(kuò)展板。LP3500 是一款微功耗一體化控制器。適合各種野外環(huán)境及水文、水質(zhì)檢測。能夠在任何有功耗限制的場合下可靠地工作 ，也可應(yīng)用于移動、手持設(shè)備及其它電池供電的系統(tǒng)。高可靠、低功耗、寬溫、抗震，具有豐富的I/O接口，靈活的通訊能力，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。LP3500通過了CE認(rèn)證，可以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作。[1]軟件開工具為Dynamic C V7.3，宿主機開發(fā)環(huán)境為Windows XP或者Windows 7。

本文實現(xiàn)的RTU遙測終端具有如下接口及功能：2個DB9的COM接口，可接RS232和RS485信號；8路模擬量輸入接口；2路485輸入/輸出接口；多路的數(shù)字量輸入；25針的DI&AO接口；8路采集信號指示燈；可視化人機界面接口。

實現(xiàn)的實物效果圖如圖2所示。

3.2視頻水尺的設(shè)計與制作

本文涉及的視頻水尺圖像處理設(shè)備采用TI公司的DM642芯片作為DSP的主芯片進(jìn)行圖像采集處理，DM642全名TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中的定點DSP，具有良好的圖像處理能力，良好的靈活性和可編程性，外圍集成了完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口。[2]水尺根據(jù)實際的需求采用不銹鋼制作，水尺為自定義的制式水尺，與傳統(tǒng)水尺的區(qū)別為使用格雷碼方式來表示水位的刻度值。開發(fā)工具為Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境（CCS3.3），宿主機環(huán)境為Windows XP或者Windows 7。

實現(xiàn)的實物效果圖如圖3所示。

3.3應(yīng)用層上位機軟件開發(fā)

所有的儀表傳感器終端的數(shù)據(jù)都需要通過有線或者無線（GPRS、CDMA、3G、4G）的方式傳送至中控室的數(shù)據(jù)采集工作站。因此，在工作站上需要開發(fā)一套對應(yīng)的多種設(shè)備的上位機數(shù)據(jù)采集程序。本文采用的數(shù)據(jù)傳輸模塊為廈門四信的F2114數(shù)傳模塊，上位機的軟件開發(fā)工具為VS2010，宿主機環(huán)境為Windows XP或者Windows 7。實現(xiàn)上位機如圖4所示。

最后，上位機采集到所有數(shù)據(jù)通過Web Services的方式上傳至部署在服務(wù)器上的水情監(jiān)控平臺，該平臺通水情過報表、歷史/實時曲線、報警事件等方式將各種水情數(shù)據(jù)合理的表現(xiàn)出來以供分析決策。

4 總結(jié)

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式DSP圖像處理技術(shù)等的綜合應(yīng)用，設(shè)計開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)水情測控系統(tǒng)具有準(zhǔn)確性、可靠性，可擴(kuò)展性的特點，現(xiàn)已部署在新疆的南北疆水庫和河流的水情管理管控中心。

參考文獻(xiàn)：

[1] LP3500 Product datasheet[EB＼OL].www.digi.com 2013.

[2] TMS320DM642 Manual[EB＼OL].www.ti.com 2002.