張志強 ZHANG Zhi-qiang；張?zhí)?ZHANG Tai；郝皓 HAO Hao

（北京市密云水庫管理處，北京 101512）

1 密云水庫雨水情遙測系統(tǒng)概況

1.1 站網(wǎng)分布

密云水庫是首都唯一地表飲用水源地，在首都水源安全保障中起著關(guān)鍵性作用，因此，“保安全、多蓄水”的目標對密云水庫防汛工作提出了更高的要求。北京市密云水庫管理處于2004年開始建設(shè)雨水情遙測系統(tǒng)并于2014年進行改造，建成信息采集網(wǎng)絡(luò)涵蓋雨量、水位等信息，包括1個中心站（白河）、40個遙測站（其中32個為雨量采集站，8個為雨量、水位采集站），站網(wǎng)主要分布密云水庫上游。通過采集上游來水區(qū)域的實時降雨量和水位數(shù)據(jù)，為水庫防汛業(yè)務(wù)的決策、調(diào)度等工作提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)功能

密云水庫雨水情遙測系統(tǒng)是典型的水文遙測系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集、接收、存儲、信息應(yīng)用四部分功能。①數(shù)據(jù)采集。遙測站實現(xiàn)雨量、水位數(shù)據(jù)的自動采集。以GSM通信為主信道，海事衛(wèi)星通信為備用信道上報采集數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)接收。管理處中心實時接收遙測站上報的雨量、水位數(shù)據(jù)，并通過報文解析功能提取出本系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)存儲。管理處中心存儲遙測站上傳的各種自動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雨水情遙測數(shù)據(jù)的存儲、管理和應(yīng)用。④信息應(yīng)用。管理處中心實現(xiàn)各類雨水情遙測信息的實時展示和歷史數(shù)據(jù)查詢。

1.3 改造必要性

雨水情遙測系統(tǒng)的信息采集站點通過GSM通信和海事衛(wèi)星將采集信息傳輸?shù)教幹行?，其中GSM通信為主信道，海事衛(wèi)星通信為備用信道。由于海事衛(wèi)星通信傳輸不穩(wěn)定且設(shè)備供應(yīng)商保障能力不足等原因，該通信方式已經(jīng)完全停用，不能滿足系統(tǒng)的正常運行。近幾年，特大暴雨在北京頻頻出現(xiàn)，僅靠GSM通信一種通信方式，在發(fā)生極端天氣情況下，無法保證通信的可靠性，防汛排洪工作的時效性無法得到保證。亟需對密云水庫水文遙測部分雨量站進行改造，以保證雨水情遙測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集正常完整，確保水文遙測部分雨量站的正常運行，為防汛業(yè)務(wù)提供有效的技術(shù)保障手段，提高防汛業(yè)務(wù)支撐能力和保障能力。

2 遙測站改造方案

2.1 遙測站改造技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)改造，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分，如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

感知層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，負責(zé)遙測站前端數(shù)據(jù)的獲取。物聯(lián)網(wǎng)感知終端對雨量計、水位計的數(shù)字信息量進行采集，實現(xiàn)遙測站雨水情數(shù)據(jù)的感知。

網(wǎng)絡(luò)層是整個系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，負責(zé)系統(tǒng)的信息傳送。網(wǎng)絡(luò)層包括4G通訊、北斗短報文通訊及GSM通訊。改造遙測站主信道均為4G通訊傳輸，將采集數(shù)據(jù)直接發(fā)送至管理處中心，備用信道為北斗衛(wèi)星，現(xiàn)地北斗用戶機將物聯(lián)網(wǎng)感知終端上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理處中心的北斗指揮型用戶機。

應(yīng)用層承載著用戶業(yè)務(wù)和功能。應(yīng)用層包括在管理處中心部署采集接收軟件，實現(xiàn)接收從現(xiàn)地上傳的數(shù)據(jù)，并進行解析、存儲、展示。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)感知終端

系統(tǒng)改造采用由北京市水利自動化研究所自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)感知終端，該設(shè)備已取得發(fā)明專利并通過水利部型式檢驗。

作為改造系統(tǒng)感知層的關(guān)鍵設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)感知終端主要滿足兩方面要求：

全面透徹感知。可靈活接入各類已有傳感器、感測遙測站現(xiàn)場的各類自動信息。如現(xiàn)場雨水情傳感器設(shè)備無故障，則無需新建傳感器和測站基礎(chǔ)設(shè)施，減少升級改造成本。

可靠穩(wěn)定傳輸。首先須滿足現(xiàn)階段的遙測站穩(wěn)定通訊需求，其次由于物聯(lián)網(wǎng)及移動通訊技術(shù)發(fā)展較快，而遙測站需要長期服役運行，需要考慮日后的擴展升級。所以物聯(lián)網(wǎng)感知終端需要支持主流的各種通訊方式。

①原理結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)感知終端硬件結(jié)構(gòu)以CPU芯片為核心，配置輸入輸出模塊、時鐘模塊、存儲模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊等。輸入輸出模塊負責(zé)與外部設(shè)備的連接與通信。存儲模塊負責(zé)程序和數(shù)據(jù)的存儲，電源模塊負責(zé)對電源的管理，以實現(xiàn)終端的運行與低功耗待機。原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件原理結(jié)構(gòu)設(shè)計

②邏輯結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)感知終端的研制從水務(wù)應(yīng)用場景入手，設(shè)計硬件接口，用于采集和整合各類水務(wù)傳感器，如圖3所示。

圖3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)感知終端系列產(chǎn)品根據(jù)不同水務(wù)應(yīng)用場景的性能需求完成CPU選型。以CPU為核心完成硬件電路的驅(qū)動層設(shè)計后，根據(jù)水務(wù)應(yīng)用需求，完成產(chǎn)品應(yīng)用程序設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、4G/GPRS/GSM/NB-IoT、以太網(wǎng)、無線自組網(wǎng)等功能。

③CPU芯片選型。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、遙測終端機和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的CPU芯片側(cè)重點不同，在芯片選型上按照突出重點、兼顧性價比的原則進行，3種終端的CPU選型及性能指標如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)感知終端芯片選型表

④接口。物聯(lián)網(wǎng)感知終端硬件接口包括數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、串行通信口等，下面以數(shù)字量輸入為例闡述接口設(shè)計。接口設(shè)計電路原理示意如圖4所示。

圖4 數(shù)字量輸入原理圖

根據(jù)水文遙測站野外環(huán)境特點設(shè)計以下幾點：

電源隔離采用2500V隔離電壓的隔離電源。

信號隔離采用磁隔離器，隔離電壓為2500V。

輸入連接到CPU上具有中斷功能的GPIO。

DI輸入部分增加濾波和保護電路，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

⑤電源。根據(jù)水文遙測站的設(shè)備低功耗需求，設(shè)計以下幾點：

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運行，外圍各個部件的電源都設(shè)置了獨立的電路開關(guān)，根據(jù)需要由應(yīng)用程序通過CPU的GPIO控制相應(yīng)的開關(guān)來實現(xiàn)供電。

系統(tǒng)運行需要的電壓由高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換得到，共有以下幾種：+5VDC，+3.3VDC。

系統(tǒng)輸入電源電壓由CPU自帶的ADC來測量。

圖5 電源設(shè)計原理圖

⑥存儲。固態(tài)存儲可支持SD卡，板載FLASH，USB存儲器三種，SD卡和USB的容量可根據(jù)需要選配。

⑦終端嵌入式軟件。物聯(lián)網(wǎng)感知終端采用模塊化程序，通過調(diào)用采集程序庫、通信協(xié)議庫以及配置庫，定制終端嵌入式程序，實現(xiàn)不同場景下水務(wù)參數(shù)的采集、存儲、上傳，以及遠程的終端配置，終端嵌入式軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)改造通過物聯(lián)網(wǎng)感知終端連接現(xiàn)場已有傳感器，實現(xiàn)感知層的數(shù)據(jù)采集，并通過物聯(lián)網(wǎng)感知終端的內(nèi)置4G通訊模塊和外聯(lián)的北斗用戶機等設(shè)備，實現(xiàn)雨水情遙測數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)了遙測站雨量、水位數(shù)據(jù)的自動采集，并以4G通信為主信道，北斗衛(wèi)星通信為備用信道上報采集數(shù)據(jù)。

圖6 終端嵌入式軟件結(jié)構(gòu)

2.3 通訊鏈路選擇

改造遙測站實時數(shù)據(jù)通過4G/北斗衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。4G為主信道，北斗衛(wèi)星為備用信道，當(dāng)主信道無法通訊時，遙測站將信道自動切換為北斗衛(wèi)星通訊發(fā)送數(shù)據(jù)。

4G+北斗衛(wèi)星通訊滿足了雨水情遙測傳輸中功耗、信號覆蓋能力、通訊費用、網(wǎng)絡(luò)安全、通訊系統(tǒng)健壯性的綜合需求。

2.4 供電系統(tǒng)配置

按照《SL61-2015水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求，電源設(shè)計根據(jù)日照條件和連續(xù)陰雨天數(shù)進行太陽能板和蓄電池的容量設(shè)計。太陽能蓄電池容量計算公式

公式（1）中：I為負載電流；H為供電時間；N為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；C為蓄電池放電深度，一般取0.7；P為電源轉(zhuǎn)化效率。

經(jīng)過計算，當(dāng)系統(tǒng)采用4G傳輸，可連續(xù)工作大于10個連續(xù)陰雨天；當(dāng)系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星傳輸，發(fā)送北斗信號時，可連續(xù)工作大于9個連續(xù)陰雨天。原遙測系統(tǒng)中的采用的20Wp太陽能電池板和12V38AH鉛酸蓄電池可以支持改造系統(tǒng)在汛期連續(xù)陰雨天和極端天氣條件下的長期穩(wěn)定供電，滿足水文遙測站工作需求。

3 系統(tǒng)改造與運行情況

2018年至2020年，密云水庫雨水情遙測站改造共分三期項目完成，為保證改造項目不影響汛期業(yè)務(wù)工作，在非汛期完成改造任務(wù)。改造后，遙測站設(shè)備運行正常、數(shù)據(jù)采集傳輸穩(wěn)定，為防汛業(yè)務(wù)提供了有效的技術(shù)保障，有力支撐密云水庫防汛業(yè)務(wù)工作。

4 結(jié)論

隨著水務(wù)精細化管理對信息采集要求的不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為有效的支撐手段。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通訊和北斗衛(wèi)星通訊技術(shù)對密云水庫水文遙測雨量站進行了改造,數(shù)據(jù)采集效果滿足水文規(guī)范和實際應(yīng)用需求。本文適應(yīng)新時期下物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通訊技術(shù)發(fā)展趨勢，提出了物聯(lián)網(wǎng)與水文遙測系統(tǒng)的融合技術(shù)實現(xiàn)方案，能夠解決新形勢下水文遙測系統(tǒng)升級改造問題，降低升級改造的難度和實施成本，取得良好的經(jīng)濟社會效益。