基于移動網(wǎng)絡(luò)的水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

林育斌

(深圳市金河建設(shè)集團有限公司，廣東 深圳 518049)

0 引 言

作為龐大而精密的運作項目，水利工程在實際運行過程中需要充分的數(shù)據(jù)支持，以發(fā)揮其最大作用；因此，對水利工程的持續(xù)監(jiān)測是必要的。通過監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)可以用于對運行過程的控制[1]。在水利工程的監(jiān)控過程中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃沫h(huán)境進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括水位、水質(zhì)等參數(shù)；在實際監(jiān)控過程中，水利工程的水文信息基本上都處于變動之中，只有通過遠(yuǎn)程監(jiān)控才能生成直觀的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而可以更加直接地進(jìn)行處理[2]。

文獻(xiàn)[3]提出基于BIM技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的部分硬件進(jìn)行優(yōu)化后，構(gòu)建BIM模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成施工過程的實時監(jiān)控。文獻(xiàn)[4]提出基于云服務(wù)平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過4個結(jié)構(gòu)層次來實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，集成了物聯(lián)網(wǎng)、云通信等技術(shù)，實時傳輸遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[5]提出基于多線程的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多線程技術(shù)編寫了三種通信協(xié)議線程，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互傳輸。本文在這些研究之上，進(jìn)行水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文以雙界河水環(huán)境改善工程為研究對象，該水利工程是廣東省深圳市寶安區(qū)與南山區(qū)的區(qū)界河。工程整治范圍為雙界河河段，長度大約為2.26 km，主要內(nèi)容包括防洪排澇與水質(zhì)提升等，主要通過阻水構(gòu)筑物等措施對河道進(jìn)行整治，對河道的水質(zhì)進(jìn)行改善，讓河道的主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到觀賞性綠化環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 硬件設(shè)計

為了達(dá)到在監(jiān)控過程中連接多種類型的設(shè)備，設(shè)計了如圖1所示的硬件體系結(jié)構(gòu)。

圖1 硬件體系結(jié)構(gòu)

主控模塊的芯片采用STM32F103ZET6，具有512 KB ROM和64 KB RAM，同時配備了1個USB接口和1個CAN接口。在微控制器模塊中，采用CAN總線接口進(jìn)行信息采集，并使用ARM7微控制器LPC系列單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。定位模塊采用LEADTEK公司的GPS9805，通過信號接收機將信息按照固定格式發(fā)送給微控制器[6]。無線通信模塊采用SIM_COM公司的SIM300C實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并使用FD810通信進(jìn)行語音通信。數(shù)據(jù)采集模塊采用控制器與數(shù)字量采集相結(jié)合，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。現(xiàn)場的工控機主要采用GE公司的90_30型號的PIE設(shè)備，其余硬件部分與常規(guī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相一致[7]。

1.2 基于移動網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計

為了達(dá)到對水利工程的有效實時監(jiān)控，需對水利工程的參數(shù)進(jìn)行采集。

(1)確定采集目標(biāo)和參數(shù)：在進(jìn)行水利工程參數(shù)采集之前，需要明確采集目標(biāo)和所需采集的參數(shù)。常見的水利工程參數(shù)包括水位、流量、水質(zhì)、水溫等。

(2)選擇采集工具和設(shè)備：根據(jù)采集目標(biāo)和參數(shù)的不同，可以選擇不同的采集工具和設(shè)備。常見的采集工具和設(shè)備包括水位計、流量計、水質(zhì)分析儀、溫度計等。

(3)安裝和調(diào)試采集設(shè)備：在進(jìn)行參數(shù)采集之前，需要安裝和調(diào)試采集設(shè)備。在安裝和調(diào)試過程中，需要注意設(shè)備的正確使用方法以及保養(yǎng)維護(hù)。

(4)進(jìn)行采集操作：在設(shè)備安裝和調(diào)試完成后，可以進(jìn)行參數(shù)采集操作。采集操作需要按照設(shè)備的使用說明進(jìn)行操作，并注意采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

(5)數(shù)據(jù)處理和分析：采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，以獲取有用的信息和結(jié)論。數(shù)據(jù)的處理和分析可以采用各種數(shù)據(jù)處理軟件和方法，如Excel、SPSS等。

(6)結(jié)果報告和應(yīng)用：在數(shù)據(jù)處理和分析完成后，可以將結(jié)果報告并應(yīng)用于實際工程中。結(jié)果報告需要根據(jù)實際需求和要求進(jìn)行編寫和整理，應(yīng)用需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

人活著，并不會一切順利如意，但如果我們都有小草那種頑強拼搏，無私奉獻(xiàn)的精神，那我們的祖國必將充滿無限的生機與活力。

使用Linux內(nèi)核進(jìn)行配置的流程如下：首先進(jìn)入內(nèi)核文件，在Device Drivers界面中選擇Multimedia support，然后進(jìn)入V4L USB devices界面進(jìn)行配置[8_9]；在GSPCA based webcams中進(jìn)行配置并保存。同時，應(yīng)用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的架構(gòu)，將各個層定義的協(xié)議進(jìn)行集合。協(xié)議層主要包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。根據(jù)協(xié)議層，在射頻收發(fā)機的端口對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而形成水利工程采集數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 水利工程監(jiān)控數(shù)據(jù)通信傳輸

提取采集的水利工程數(shù)據(jù)庫后，使用移動網(wǎng)絡(luò)搭建數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。通過MQTT協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，并設(shè)置傳輸參數(shù)的交換[10]。通過STM32串口發(fā)送AT指令，并設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸消息幀格式；收發(fā)數(shù)據(jù)的消息幀格式如表1所示。

表1 傳輸消息幀格式

在此基礎(chǔ)上，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行設(shè)計，設(shè)定的通信格式為：幀頭+數(shù)據(jù)類型+有效數(shù)據(jù)+幀尾，設(shè)計的數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)特性格式表

其中，發(fā)送給服務(wù)器的指令主要有以下幾種類型：周期性采集、設(shè)置控制模式與遠(yuǎn)程控制，各個符號含義如表3所示。

表3 指令符號含義

周期性采集的參數(shù)指令為：WB 03 01 02 03 04 WB，更改模式指令為：PB 03 01 02 03 04 PB，遠(yuǎn)程控制的指令為：EB 03 01 02 03 04 EB。使用該指令進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信，通過指令連接到中轉(zhuǎn)服務(wù)器，之后自動連接到監(jiān)控端；在經(jīng)過中轉(zhuǎn)服務(wù)器時自動進(jìn)行發(fā)送，形成水利工程監(jiān)控數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。

1.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端顯示

根據(jù)通信模塊的通信數(shù)據(jù)，設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控終端顯示模塊。將監(jiān)控參數(shù)上傳至監(jiān)控終端，并顯示設(shè)備的連接狀態(tài)，同時設(shè)定與執(zhí)行器設(shè)備綁定的標(biāo)識符情況。為了減少系統(tǒng)上傳過程中出現(xiàn)的延時，通過AT指令連接到中轉(zhuǎn)服務(wù)器，并自動連接到移動終端。還設(shè)置了發(fā)送指令，包括獲取參數(shù)指令、控制指令等。采用ISO復(fù)用Select模型，在多客戶端連接下，使用多線程技術(shù)解決客戶端同時響應(yīng)的問題，同時也方便讀取執(zhí)行數(shù)據(jù)。通過協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)收集，將應(yīng)答模式設(shè)置到應(yīng)用層，數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點按照應(yīng)答后判定成功發(fā)送數(shù)據(jù)，最終結(jié)果將在終端上顯示。

2 系統(tǒng)測試與分析

為了測試設(shè)計系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了相關(guān)實驗。

2.1 系統(tǒng)搭建

根據(jù)水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，搭建測試平臺的硬件，使用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。搭建好硬件后，進(jìn)行初始化連接，獲取水利工程的相關(guān)參數(shù)，搭建監(jiān)控端，其中設(shè)備和參數(shù)信息如表4所示。

表4 設(shè)備和參數(shù)信息

將設(shè)備進(jìn)行搭建，得到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的測試頁面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的測試頁面

為了對所設(shè)計系統(tǒng)的性能進(jìn)行充分驗證，以響應(yīng)時間與監(jiān)測精度為指標(biāo)，將所設(shè)計系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進(jìn)行對比驗證。

2.2 實驗結(jié)果與分析

水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間是指從接收到請求或事件發(fā)生的時刻開始，到系統(tǒng)做出響應(yīng)的時刻結(jié)束所經(jīng)過的時間；簡而言之，它是系統(tǒng)對外界請求或事件做出響應(yīng)的速度。對于水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而言，響應(yīng)時間的概念非常重要，因為它直接影響著系統(tǒng)的實時性和效能。較短的響應(yīng)時間意味著系統(tǒng)能夠快速地對請求或事件做出響應(yīng)，及時采取相應(yīng)的措施或提供相關(guān)的數(shù)據(jù)；而較長的響應(yīng)時間則可能導(dǎo)致延遲和信息滯后，從而影響系統(tǒng)的運行效果和決策的準(zhǔn)確性。

不同系統(tǒng)的響應(yīng)時間結(jié)果如表5所示。

通過對表5中數(shù)據(jù)的分析，可以突出所設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，所設(shè)計系統(tǒng)在每個測試次數(shù)下的響應(yīng)時間都明顯低于文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的響應(yīng)時間。例如，在測試次數(shù)為200、300、400和500次時，所設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)時間分別為3.57、3.43、3.25和3.55 s，而文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的響應(yīng)時間分別為7.78、7.46、7.50和7.55 s。這表明所設(shè)計系統(tǒng)能夠更快地對請求或事件做出響應(yīng)。另外，其他測試次數(shù)下的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相似的趨勢。所設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)時間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的響應(yīng)時間。這表明所設(shè)計系統(tǒng)在水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，能夠更快速地對水利工程的請求和事件做出響應(yīng)，提高系統(tǒng)的運行效率和決策的準(zhǔn)確性。

水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度是指系統(tǒng)監(jiān)測和測量數(shù)據(jù)與實際值之間的誤差或偏差程度，簡而言之，它表示系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在水利工程中，監(jiān)測精度是非常重要的，因為它直接影響著決策和對水資源管理的正確性。較高的監(jiān)測精度意味著系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取和反映水利工程相關(guān)參數(shù)的實際情況。

不同系統(tǒng)的監(jiān)控精度結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，所設(shè)計系統(tǒng)在每個測試次數(shù)下的監(jiān)測精度明顯高于其他系統(tǒng)。例如，測試次數(shù)為200時，所設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)測精度達(dá)到96.36%，明顯高于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的75.32%和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的66.85%。類似地，在所有測試次數(shù)中，所設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)測精度均遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測水利工程相關(guān)參數(shù)，并提供更可靠的數(shù)據(jù)。這種較高的監(jiān)測精度對于水資源管理和決策制定具有重要意義。

所設(shè)計系統(tǒng)以Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層為基礎(chǔ)，在射頻收發(fā)機的端口，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并使用了移動網(wǎng)絡(luò)；通過MQTT協(xié)議，在數(shù)據(jù)庫之間搭建了快讀通信結(jié)構(gòu)，縮短了數(shù)據(jù)之間的通信速度。

3 結(jié) 語

為了對水利工程的施工過程進(jìn)行有效監(jiān)控，提出基于移動網(wǎng)絡(luò)的水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。從理論與實驗兩方面對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證，該系統(tǒng)在進(jìn)行水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控時，具有較短的響應(yīng)時間與較高的檢測精度。但是在此次研究中，對于移動網(wǎng)絡(luò)在水利工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性方面的研究還不足。盡管移動網(wǎng)絡(luò)具有靈活性和便捷性的優(yōu)勢，但其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性問題仍然存在挑戰(zhàn)。由于水利工程多處在偏遠(yuǎn)地區(qū)或惡劣的氣候條件下，如何確保移動網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連接以及保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匀孕柽M(jìn)一步探索。