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)
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)。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。