CN109506631A - 基于物联网的水文监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于物联网的水文监测系统，包括：至少一个水文监测设备，安装在监测区域，配置为采集监测区域的水文数据并无线传输；水文监测终端，配置为无线接收水文监测设备传输的水文数据，进行统计并处理，再通过以太网通信上传处理后的水文数据；监测中心，配置为通过以太网与水文监测终端通讯，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。利用远距离无线传输技术和无线传感器网络技术很好的解决了传统方式中所存在的问题，基于物联网的水文监测系统通过对河流的实时监测，对监测数据进行分析可以为洪水预防提供帮助，以便相关部门及时地了解现状，并在第一时间内做出合理的安排。

Description

基于物联网的水文监测系统
技术领域
本发明涉及水文监测领域，特别是基于物联网的水文监测系统。
背景技术
对于地域辽阔、河流湖泊众多、气候多样化的国家，由于各地气候地形、地质特性差异很大，基本上每两年就会发生严重的洪涝灾害，给国家带来巨大的损失，给人们带来巨大的灾难。
现如今，温室气体的大量排放造成了全球的气候异常；滥砍滥伐现象的增加加剧了水土的流失；大规模的围湖造田也严重减弱了湖区调蓄抗洪的能力。这些人为因素让生态环境变得越来越恶劣，也使得洪涝灾害在我国越发频繁。由于生态环境自我调节能力的降低，持续的强降水还可能引起溃坝洪水、山洪泥石流等一系列灾害，这些灾害的共同特征就是突发性强，极短时间内的破坏力巨大，并且不易躲避。面对这些灾害虽然无法躲避，但是可以通过实时监测来达到预防的目的。
对于频繁发生的洪涝灾害，由于对河流湖泊的水情不明及报讯不及时，扩大了这些灾害带来的损失，为了有效的保障人民生命财产的安全，避免国家巨大的经济损失，可以通过对河流湖泊水利运行情况进行实时监测来达到预防目的。在此背景下，水文监测系统就显得尤为重要。
传统的水文监测通常是人工监测方式，采用人工记录以及有线传输，通过定期的采用特殊测量仪器到河流、水库、湖泊等现场进行测量。这种方式存在成本高、结构复杂、难以维护的缺点，其一，不仅消耗了大量的人力物力，还不能进行大范围的、实时的监测，不能全面的获取实时数据，无法得到准确的数据统计与分析的结果；其二，在某些偏僻的水域及环境恶劣的区域，由于利用人工的方式进行测量比较困难，导致无法获取部分区域的有效数据；其三，人工在监测的过程中可能由于个人的疏忽而造成严重的后果。因此研发一套可以实现水文数据采集、处理、分析和预警的水文监测系统在水文工作中是必不可少的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用远距离无线传输技术和无线传感器网络技术的水文监测系统。
本发明采用的技术方案如下：
基于物联网的水文监测系统，包括：
至少一个水文监测设备，安装在监测区域，配置为采集监测区域的水文数据并无线传输；
水文监测终端，配置为无线接收水文监测设备传输的水文数据，进行统计并处理，再通过以太网通信上传处理后的水文数据；
监测中心，配置为通过以太网与水文监测终端通讯，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。
进一步，所述水文监测设备包括第一MCU以及分别与第一MCU电性连接的传感器模块、第一无线通讯模块、第一电源模块，所述传感器模块用于采集监测区域的水文数据，所述第一无线通讯模块用于向水文监测终端无线传输所采集的水文数据。
进一步，所述传感器模块包括皆与所述第一MCU连接的雨量传感器、水流速传感器、水位传感器；所述雨量传感器配置为实时测量监测区域的降雨量，所述水流速传感器配置为实时采集出/入水流量，计算总水流量；所述水位传感器配置为实时采集监测点的水位数据，实现水位的计算。
更进一步，所述水文监测终端包括第二MCU以及皆与第二MCU电性连接的第二无线通讯模块、以太网通讯模块、数据存储模块和第二电源模块，所述第二无线通讯模块用于和所述第一无线通讯模块无线通信以接收水文数据，所述以太网通讯模块用于上传处理后的水文数据给监测中心，所述数据存储模块用于在本地存储水文数据。
特别的，所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块皆采用ZigBee无线通讯模块，所述水文监测设备具有多个，多个所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块之间组建成无线通讯网络。
优选的，所述第一电源模块、第二电源模块皆采用太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件和蓄电池，太阳电池组件配置为白天将光能转化为电能，为系统电路供电并向蓄电池充电，夜间及阴雨天选用蓄电池为系统供电。
进一步，所述以太网通讯模块采用全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，型号为W5500，W5500集成有TCP/IP协议栈、MAC和PHY层协议，并承载传输层、网络层、链路层以及物理层的功能；所述第二MCU采用STM32微控制器，STM32微控制器承载应用层的功能并通过SPI的方式和W5500以太网通讯模块进行通信。
其中，所述监测中心主要由数据库、拓扑结构图、管理终端以及系统软件组成。
进一步，所述系统软件包括动态实时监测模块、历史数据查询模块、报警数据查询模块、系统操作日志查询模块、时段统计模块、曲线分析模块、用户管理模块、测点数据管理模块、历史数据管理导入模块。
本发明的有益效果：
1.采用现代物联网技术对水文信息进行实时数据采集、处理、分析和及时上报的智能监测系统。该系统通过实时监测河流湖泊、水库等水利工程的情况，监测内容包括雨量、水位、流量和流速等水文信息，能够有效预防河流湖泊及水库洪涝灾害的发生，成为水文监测和防洪调度自动化技术的有效防范措施。
2.水文监测系统可以实现水文数据采集、处理、分析和远程通信的功能，使水文监测系统走向网络化、信息化、智能化。
3.利用远距离无线传输技术和无线传感器网络技术很好的解决了传统方式中所存在的问题，基于物联网的水文监测系统通过对河流的实时监测，对监测数据进行分析可以为洪水预防提供帮助，以便相关部门及时地了解现状，并在第一时间内做出合理的安排。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
图1是本发明水文监测系统的实施例框架图；
图2是本以太网通讯模块的W5500通讯框图。
具体实施方式
水文指自然界中水的变化、运动等各种现象。水文监测主要用于监视河流湖泊水利运行情况，适用于对江河、湖泊、水库、地下水等水文参数进行监测，其监测内容主要包括雨量、水位、流量、流速等。
本技术方案的水文监测系统旨在采用无线通讯方式实时传送监测数据，可以大大提高水文部门的工作效率，及时预警洪涝灾害、避免经济损失以及保障人民生命财产的安全。
如图1所示，为本发明的基于物联网的水文监测系统，包括以下三大主要部分：
至少一个水文监测设备，安装在监测区域，配置为采集监测区域的水文数据并无线传输；其中，监测区域包括江河、湖泊、水库、地下水等；
水文监测终端，配置为无线接收水文监测设备传输的水文数据，进行统计并处理，再通过以太网通信上传处理后的水文数据；
监测中心，配置为通过以太网与水文监测终端通讯，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。
作为水文监测设备的具体结构，本实施例的水文监测设备包括第一MCU以及分别与第一MCU电性连接的传感器模块、第一无线通讯模块、第一电源模块，所述传感器模块用于采集监测区域的水文数据，所述第一无线通讯模块用于向水文监测终端无线传输所采集的水文数据。
其中，上述传感器模块包括皆与所述第一MCU连接的雨量传感器、水流速传感器、水位传感器；所述雨量传感器配置为实时测量监测区域的降雨量，确保数据具有及时性、准确性、完整性和可靠性；所述水流速传感器配置为实时采集出/入水流量，计算总水流量；所述水位传感器配置为实时采集监测点的水位数据，实现水位的计算。
上述传感器的输出量有模拟量和数字量。水位传感器的输出信号是电压值，经过滤波电路，然后进行放大将信号转为电压后，进行水位数据采集。雨量传感器采用SRY-1容栅式雨量计，通过容栅位移传感器监测降雨量，计量精度高、可靠性好。流量采用流速面积法进行计算，流量是指单位时间内通过过水断面流体的体积，常采用流速仪测速，测深杆测量垂线水深，以计算断面面积的流速仪法。
本技术方案的水文监测终端的主要功能为：主动上传监测区域的水文数据至监控中心；主动上报监测设备运行异常信息至监控中心；实时监测现场监测设备运行状态，分析计量故障等信息。
水文监测终端的具体结构包括第二MCU以及皆与第二MCU电性连接的第二无线通讯模块、以太网通讯模块、数据存储模块和第二电源模块，所述第二无线通讯模块用于和所述第一无线通讯模块无线通信以接收水文数据，所述以太网通讯模块用于上传处理后的水文数据给监测中心，所述数据存储模块用于在本地存储水文数据。
在无线通讯方面，本实施例中的第一无线通讯模块与第二无线通讯模块皆采用ZigBee无线通讯模块，所述水文监测设备具有多个，多个所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块之间组建成无线通讯网络。
ZigBee无线通讯方式实时传送监测数据，可以大大提高水文部门的工作效率。ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee无线网络可以工作在868MHz、915MHz和2.4GHz这三个频段下，最高传输速率可以达到250kbps，并且在网络中可以连接多达65000个网络节点，节点之间可以彼此通信。其具有高可靠性、低成本、低功耗的特点，满足系统多节点进行实时数据监测的通信需求。
由于监测设备大多需要安装在野外的环境中，各水文监测点分散、分布范围广，可能处于无人活动的环境中，周边环境比较恶劣。系统无法直接使用交流电源进行供电，需要使用蓄电池进行长期供电的条件。
因此，本技术方案在电源供电方面，实施例中的第一电源模块、第二电源模块皆采用太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件和蓄电池，太阳电池组件配置为白天将光能转化为电能，为系统电路供电并向蓄电池充电，夜间及阴雨天选用蓄电池为系统供电。
为了实现水文监测终端与监测中心之间可靠的远程通信，如图2所示，本实施例的以太网通讯模块采用体积小、低功耗、全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，型号为W5500，W5500集成有TCP/IP协议栈、MAC和PHY层协议，并承载传输层、网络层、链路层以及物理层的功能；所述第二MCU采用STM32微控制器，STM32微控制器承载应用层的功能并通过SPI的方式和W5500以太网通讯模块进行通信，用户只需要在微控制器STM32中完成应用层就可以实现数据的网络传输。
本技术方案的另一重要组成部分为监测中心，所述监测中心主要由数据库、拓扑结构图、管理终端以及系统软件组成。主要利用计算机技术和数据库技术搭建软件平台，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示以及对运行中的监控终端进行参数设置。其主要功能为：实现各测量点的排水量统计与水位统计；对比排水量与水位数据、雨量和流量等，做出相应的曲线图、柱状图等；远程设置参数。
进一步，水文监测系统软件作为采用以太网通讯接收水文监测点数据进行汇总、统计分析的一个平台，所述系统软件包括动态实时监测模块、历史数据查询模块、报警数据查询模块、系统操作日志查询模块、时段统计模块、曲线分析模块、用户管理模块、测点数据管理模块、历史数据管理导入模块，可以给用户提供了一个直观、简单的信息化平台。
本技术方案的主要工作原理为，基于物联网，水文监测设备以无线传感器网络作为传感器数据采集与接收的平台，水文监测终端以嵌入式实时操作系统uC/OS-III和微处理器STM32作为数据处理和分析的平台，监测中心作为监测区域水文数据远程管理和显示的平台。监测设备采集监测区域水文数据通过ZigBee无线通讯传送到监测终端；监测终端将水文数据进行处理后通过以太网按照TCP/IP协议上传至监测中心；监测中心将数据进行存储、分析并显示。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于物联网的水文监测系统，其特征在于，包括：
至少一个水文监测设备，安装在监测区域，配置为采集监测区域的水文数据并无线传输；
水文监测终端，配置为无线接收水文监测设备传输的水文数据，进行统计并处理，再通过以太网通信上传处理后的水文数据；
监测中心，配置为通过以太网与水文监测终端通讯，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述水文监测设备包括第一MCU以及分别与第一MCU电性连接的传感器模块、第一无线通讯模块、第一电源模块，所述传感器模块用于采集监测区域的水文数据，所述第一无线通讯模块用于向水文监测终端无线传输所采集的水文数据。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述传感器模块包括皆与所述第一MCU连接的雨量传感器、水流速传感器、水位传感器；所述雨量传感器配置为实时测量监测区域的降雨量，所述水流速传感器配置为实时采集出/入水流量，计算总水流量；所述水位传感器配置为实时采集监测点的水位数据，实现水位的计算。
4.根据权利要求2所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述水文监测终端包括第二MCU以及皆与第二MCU电性连接的第二无线通讯模块、以太网通讯模块、数据存储模块和第二电源模块，所述第二无线通讯模块用于和所述第一无线通讯模块无线通信以接收水文数据，所述以太网通讯模块用于上传处理后的水文数据给监测中心，所述数据存储模块用于在本地存储水文数据。
5.根据权利要求4所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块皆采用ZigBee无线通讯模块，所述水文监测设备具有多个，多个所述第一无线通讯模块与第二无线通讯模块之间组建成无线通讯网络。
6.根据权利要求4所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述第一电源模块、第二电源模块皆采用太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括太阳能电池组件和蓄电池，太阳电池组件配置为白天将光能转化为电能，为系统电路供电并向蓄电池充电，夜间及阴雨天选用蓄电池为系统供电。
7.根据权利要求4所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述以太网通讯模块采用全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，型号为W5500，W5500集成有TCP/IP协议栈、MAC和PHY层协议，并承载传输层、网络层、链路层以及物理层的功能；所述第二MCU采用STM32微控制器，STM32微控制器承载应用层的功能并通过SPI的方式和W5500以太网通讯模块进行通信。
8.根据权利要求1所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述监测中心主要由数据库、拓扑结构图、管理终端以及系统软件组成。
9.根据权利要求8所述的基于物联网的水文监测系统，其特征在于：所述系统软件包括动态实时监测模块、历史数据查询模块、报警数据查询模块、系统操作日志查询模块、时段统计模块、曲线分析模块、用户管理模块、测点数据管理模块、历史数据管理导入模块。
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