Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

張　磊1,2　馮建華1,2　袁愛(ài)軍1,2　張建偉1,2

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心1，河北 保定　071051;

國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，河北 保定　071051)

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物聯(lián)網(wǎng)在高原寒區(qū)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

張磊1,2馮建華1,2袁愛(ài)軍1,2張建偉1,2

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心1，河北 保定071051;

國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，河北 保定071051)

摘要：針對(duì)青海高原寒區(qū)地下水監(jiān)測(cè)工作的現(xiàn)狀，研制開(kāi)發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)解決監(jiān)測(cè)儀器在高海拔、低溫環(huán)境下的可靠性。介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及軟硬件設(shè)計(jì)，并采取多項(xiàng)措施來(lái)提高監(jiān)測(cè)儀器低功耗和穩(wěn)定性。通過(guò)一年多的野外試驗(yàn)應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。該系統(tǒng)的研究成功能更好地服務(wù)于青海高原寒區(qū)地下水監(jiān)測(cè)方面的工作，為惡劣環(huán)境下的地下水監(jiān)測(cè)提供先進(jìn)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)高原寒區(qū)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸全球移動(dòng)通信系統(tǒng)低功耗信息管理控制軟件

Abstract：Aiming at the current status of underground water monitoring in Qinghai cold plateaus,the automatic underground water monitoring system based on Internet of things technology is researched and developed.The reliability of the monitoring instrument under high altitude and low temperature environment has to be solved emphatically.The structural composition and software and hardware design of the monitoring system are introduced,low power consumption and stability of the monitoring instrument are implemented by adopting multiple technical measures.Through more than a year of field testing applications,the operating situation of the system is good,The successful research can better service for underground water monitoring of Qinghai cold plateaus,and provide advanced technical measures for underground water monitoring under harsh environment.

Keywords:Internet of thingsCold plateauUnderground water monitoring systemData transmissionGSMLow power consumptionInformation managementControl software

0引言

青藏高原寒區(qū)的多年凍土退化將導(dǎo)致多年凍土區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，進(jìn)而影響到區(qū)域水資源循環(huán)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境。為了了解其分布狀況和監(jiān)控其變化趨勢(shì)，開(kāi)展凍土區(qū)和凍結(jié)層水的調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作是非常有必要的。研究多年凍土與地下水相互作用關(guān)系，對(duì)寒區(qū)生態(tài)環(huán)境和工程建設(shè)具有重要價(jià)值[1]。選擇和研發(fā)適合高原寒區(qū)自然地理?xiàng)l件的工作設(shè)備、工作方法，是高原寒區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展必然要面對(duì)的問(wèn)題。開(kāi)展這些工作基礎(chǔ)是地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取[2]?，F(xiàn)代社會(huì)地下水監(jiān)測(cè)工作任務(wù)重、工作環(huán)境惡劣且監(jiān)測(cè)手段落后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)丟失風(fēng)險(xiǎn)大，且監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度不高[3]。

針對(duì)青海高原寒區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并成功應(yīng)用于野外工作。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照規(guī)定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物間全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[4-5]。對(duì)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行智能運(yùn)行管理，首先依賴于對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信息掌控，因此，物聯(lián)網(wǎng)作為“智能信息感知末梢”，成為推動(dòng)地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)手段[6]。

1系統(tǒng)整體功能介紹

系統(tǒng)主要由地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、終端信息平臺(tái)(含后臺(tái)服務(wù)器和應(yīng)用程序)組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集儀器負(fù)責(zé)水位水溫等參數(shù)定時(shí)自動(dòng)采集。遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，按照約定的協(xié)議進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化采集、傳輸、監(jiān)控、管理的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通信方式則采用了GSM短信。GSM業(yè)務(wù)按ISDN的原則可分為電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[7]。數(shù)字業(yè)務(wù)中有短消息業(yè)務(wù)(SMS)，可以傳遞140個(gè)8 bit的ASCII字符的消息。地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用此功能傳遞數(shù)據(jù)和命令，解決了地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心的距離限制問(wèn)題。

圖1　地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框圖

2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1數(shù)據(jù)采集部分

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分直接采用了國(guó)外進(jìn)口的儀器，型號(hào)為美國(guó)In-Situ公司生產(chǎn)的Rugged Troll系列水位儀。

2.2數(shù)據(jù)通信部分

數(shù)據(jù)通信主要包括外界氣壓的采集和數(shù)據(jù)的傳輸。其中氣壓的采集頻率與水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率相一致。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸裝置中的定時(shí)系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸裝置被啟動(dòng)并同時(shí)喚醒井下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將井下采集的數(shù)據(jù)和傳輸裝置采集到的氣壓數(shù)據(jù)一并傳送到控制中心站。完成一次數(shù)據(jù)上傳循環(huán)之后，數(shù)據(jù)傳輸裝置和井下設(shè)備掉電，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.2.1主控制電路

主控電路的功能框圖如圖2所示。

圖2　主控制電路功能框圖

數(shù)據(jù)傳輸通信裝置的設(shè)計(jì)相對(duì)儀器要求的運(yùn)算功能并不是很復(fù)雜，但由于要在高原高寒地區(qū)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人值守工作，這對(duì)儀器的功耗等要求比較苛刻。為適應(yīng)這方面的需求，采用一種將中央處理器、存儲(chǔ)器、高性能模擬技術(shù)、I/O接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的超低功耗微控制器。單片機(jī)在設(shè)計(jì)上主要突出了控制功能，調(diào)整了接口配置，使整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性大大提高。將設(shè)計(jì)自動(dòng)采集儀器與傳輸設(shè)備有效地融合在一起，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸與全自動(dòng)無(wú)人值守控制。

數(shù)據(jù)傳輸裝置中的主控電路板負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的電路喚醒、氣壓傳感器的采樣、記錄的發(fā)送、數(shù)據(jù)的處理以及外圍的通信等工作。主控制電路也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，所有功能都依靠主控電路的運(yùn)行而有序工作。

2.2.2電源

在青海高原寒區(qū)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)艱苦而重要的工作，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)往往交通不便，沒(méi)有電力設(shè)施，監(jiān)測(cè)儀器一般采用電池供電、全自動(dòng)工作、無(wú)人值守、定時(shí)測(cè)量等[7]。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸裝置野外應(yīng)用條件，同時(shí)為了方便維護(hù)，綜合考慮耐用性、通用性與便攜性,選定四節(jié)普通堿性1號(hào)電池供電。一個(gè)好的電源可以為整個(gè)電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定性的保障，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好，系統(tǒng)運(yùn)行也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題[8]。將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成電源多路供電系統(tǒng)，分為穩(wěn)壓常通電源模塊和可關(guān)斷電源模塊，其輸出都為3.3 V,輸入電壓是6 V。系統(tǒng)采用低壓差線性穩(wěn)壓器MAX1726進(jìn)行降壓處理，它的特點(diǎn)是超低電源電流，可以盡可能延長(zhǎng)電池的應(yīng)用。

在可靠信號(hào)觸發(fā)后由電源喚醒單元喚醒系統(tǒng)，這時(shí)需要必要的功能單元才能啟動(dòng)消耗能源。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到?jīng)]有可靠的信號(hào)觸發(fā)或采集數(shù)據(jù)工作完成后，除維持基本功能的功能單元外，其他單元全部處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以有效降低功耗，以滿足長(zhǎng)期的野外監(jiān)測(cè)應(yīng)用[9]。

2.2.3定時(shí)時(shí)鐘喚醒電路

定時(shí)時(shí)鐘喚醒電路作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的時(shí)鐘基準(zhǔn)，協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的統(tǒng)一運(yùn)作。時(shí)鐘系統(tǒng)的核心采用ISL2026時(shí)鐘芯片，提供一個(gè)輔助供電引腳，當(dāng)主電源電壓低于某個(gè)閾值時(shí)，時(shí)鐘芯片自動(dòng)切換到備用電源供電，保證用戶的時(shí)間信息不丟失。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行到事先設(shè)定好的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，由芯片的時(shí)鐘報(bào)警引腳給出一個(gè)低電平，微控制器可以根據(jù)該引腳狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的處理，也可以用作系統(tǒng)的上電喚醒源。

系統(tǒng)的定時(shí)時(shí)鐘喚醒電路如圖3所示。當(dāng)用作上電喚醒源時(shí)，該報(bào)警引腳經(jīng)組合邏輯電路后連接為控制電路，提供穩(wěn)壓電源芯片的使能引腳，控制電源芯片的打開(kāi)與關(guān)閉，使得系統(tǒng)休眠時(shí)不工作的部分處于斷電狀態(tài)。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行到事先設(shè)定好的時(shí)間點(diǎn)時(shí)，由芯片具有時(shí)鐘報(bào)警功能的第5管腳給出一個(gè)低電平。微控制器可以根據(jù)該引腳狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的處理，控制電源芯片的打開(kāi)與關(guān)閉，使得系統(tǒng)休眠時(shí)不工作的部分處于斷電狀態(tài)。只有當(dāng)時(shí)鐘運(yùn)行到采樣時(shí)間或者需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，才打開(kāi)供電[10]。

圖3　實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖

3系統(tǒng)的軟件部分

3.1數(shù)據(jù)通信傳輸控制軟件

控制軟件采用模塊化的編程思想，并將整個(gè)軟件工程按照應(yīng)用層、功能層、硬件隔離層以及硬件驅(qū)動(dòng)層劃分為四個(gè)層次，采用標(biāo)準(zhǔn)通用協(xié)議作為應(yīng)用層編程核心指導(dǎo)。嚴(yán)格設(shè)計(jì)各層功能函數(shù)的接口參數(shù)，使得工程中的各層函數(shù)只能相鄰層可以直接發(fā)生參數(shù)交換。每一層的上層與下層函數(shù)之間是“不透明”的，只有硬件驅(qū)動(dòng)層函數(shù)直接操作硬件，硬件驅(qū)動(dòng)層以上的函數(shù)與硬件沒(méi)有關(guān)系。這種編程思想指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的軟件具有易于維護(hù)、移植性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

3.2信息管理平臺(tái)

信息管理平臺(tái)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理終端、Internet 通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的系統(tǒng)軟件組成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、整理、匯總和存儲(chǔ)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程[11]。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)搭建軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的水文數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理與顯示。監(jiān)控中心可以對(duì)運(yùn)行中的監(jiān)控終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和分析，便于工作人員對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析[12]。

監(jiān)測(cè)設(shè)備管理系統(tǒng)的主要功能是對(duì)分布在各地的監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的接入，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解析、同步更新、顯示、查詢、儀器設(shè)備管理、通信設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)井信息管理、報(bào)警等功能。按照功能分類，系統(tǒng)可劃分為以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)接入部分、設(shè)備信息管理、數(shù)據(jù)管理等幾部分，如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)終端平臺(tái)功能圖

4應(yīng)用

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，在青海高原寒區(qū)利用專用地下水監(jiān)測(cè)井，開(kāi)展整套系統(tǒng)的應(yīng)用。從青海高原寒區(qū)的不動(dòng)泉至雁石坪段共安裝九套地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝地區(qū)的海拔高度在4 500 m以上。

每套系統(tǒng)每天按照規(guī)定的時(shí)間將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GSM發(fā)送至中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及發(fā)布。其中五道梁地區(qū)監(jiān)測(cè)井從2012年10月運(yùn)行至今，所采集的數(shù)據(jù)曲線圖如圖5所示，其中縱坐標(biāo)表示水位埋深。

圖5　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

5結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)高原寒區(qū)特殊的氣候特點(diǎn)，重點(diǎn)解決監(jiān)測(cè)儀器在高原寒區(qū)環(huán)境下的穩(wěn)定性、可靠性、低功耗等問(wèn)題；以短信數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備研發(fā)為核心，解決與采集設(shè)備連接的通信協(xié)議解析、通信協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)的制定等問(wèn)題。研制的具有GSM遠(yuǎn)傳功能的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在青海高原寒區(qū)野外一年多的應(yīng)用，整體上達(dá)到了預(yù)期的性能，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水位、水溫、氣壓、氣溫)的采集、無(wú)線發(fā)送和接收，系統(tǒng)終端及上位機(jī)管理軟件等都能夠穩(wěn)定正常地工作，實(shí)現(xiàn)了高原寒區(qū)惡劣環(huán)境下地下水監(jiān)測(cè)的自動(dòng)采集自動(dòng)傳輸，建立了地下水動(dòng)態(tài)信息采集、傳輸、監(jiān)控、管理于一體的智能化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。本文的研究應(yīng)用為研究地下水與凍土之間的關(guān)系提供了數(shù)據(jù)支持，為保護(hù)青藏高原多年凍土以及為地下水資源合理開(kāi)發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

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中圖分類號(hào)：TP273;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602013

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：201411083-4)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者張磊(1982-)，男，2013年畢業(yè)于吉林大學(xué)儀器儀表工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事地下水監(jiān)測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工作的研究。