基于嵌入式的水文水情数据采集系统

关键词：水库

水情监测是保证河道、水库安全, 水资源合理利用, 进行灾害预防和控制等的一项重要工作。也是水利、水务部门的一项日常工作。四川省流域、水库众多, 防汛任务十分艰巨, 特别在震后及大旱后[1]。严重的干旱会导致水库水位降至死库容以下, 部分水库土坝出现裂缝, 大旱过后又容易出现大涝, 给防汛带来了隐患, 2006年大旱, 2007年出现百年难遇大洪水就是例证。2008年的大地震造成许多水库溢洪道山体滑坡堵塞了部分泄洪通道, 一些防浪墙倒塌, 大坝顶有明显震陷, 防渗墙上方的坝面产生较大裂缝等;山体滑坡堵塞河道, 出现了许多堰塞湖, 同样给防汛带来了隐患。水利部门对四川省近50 a来洪灾发生特点进行分析后认为, 2008-2012年, 四川省将进入洪水特大灾害高发期。如何自动实时监测水情, 保证河道、水库安全, 进行灾害预防和控制;为水库或流域内的水资源开发利用规划、联合调度、提高水资源利用效率、科学管理水资源提供科学的决策依据, 本文提出了一种新的思路。

1 系统结构原理

流域、水库多处偏远的山岭地带, 缺电、环境恶劣、信息采集点分散、各采集点需采集的数据少 (水位、雨量、流量等几个数据) 、技术力量差 (常无人或只有文化较低的值班员) 等, 要能及时监测水文水情变化情况, 建立起完善的自动监测系统和水文水情数据采集信息, 提高水文工作质量, 为防治水、旱灾害提供现代化的技术支持和服务, 给水文水情监测提出了新的技术要求。本文利用现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术, 提出基于嵌入式的水文水情数据采集系统, 能较好地实现水文水情的实时监测, 而且采用无线网络传输数据, 实现数据传输的高效率、低成本及实时性[2]。

各采集点的雨量、水位等数据在遥测终端 (可用嵌入式系统ARM9开发) 处理后, 由232串口连接到CDMA, 经互联网传送到数据中心。各遥测终端 (采集点) 与中心采用领牌通讯方式[3]。申请一个域名地址, 建立网络数据库, 遥测终端定时或触发方式访问网络数据库中的令牌, 读取命令或编码发送数据及站点地址信息, 中心站也定时或人工干预方式访问网络数据库中的领牌, 读取数据或发布命令。采用令牌通讯方式, 实现一对多通讯。同时, 可节约网络数据库空间, 减少费用。遥测终端采用太阳能供电, 解决缺电问题[4]。

2 系统工作方式及系统功能

2.1 系统工作方式

在水文水情数据监测系统中, 可采用自报式、查询应答式和自报/查询应答式3种工作方式之一。

2.1.1 自报式

自报式是一种不受中心站指令控制的工作方式, 当水文水情下位数据遥测终端的测量参数 (水位、雨量等) 发生一个按预先规定的数据变化时, 自动向上位机服务器中心发送水文水情信息。采用自报式工作方式, 设备功耗低, 实时性强。

2.1.2 查询应答式

遥测终端只对水文水情参数的变化自动采集与存储, 不主动发送给服务器中心, 只有当中心站发出查询指令时, 才将水文水情信息上传。特点是可控性好, 中心服务器可以随机或定时地对遥测终端进行巡测[5]。缺点是遥测终端随时处于工作状态, 以便接受中心站的指令, 上传数据, 终端值守功耗较大。

2.1.3 自报/查询应答式

以自报式为主, 查询应答式作为辅助。综合自报和应答2种方式的特点, 既能实时自报, 又具有受控功能, 功能相对较强。可以定时、定点、变化量以及阀值变化后触发上传数据。

2.2 系统功能

2.2.1 雨量监测

实时采集雨量数据, 记录雨量变化情况。当有降雨时, 对降雨情况进行监测, 降雨量每达阀值 (1 mm) 时, 发送一次数据。

2.2.2 水位监测

实时监测并记录水位变化情况。当水位变化量达阀值 (1 cm) 时, 发送一次数据;

2.2.3 状态监测

对遥测终端状态进行监控, 查询远程设备工作状态 (电压、运行情况等) , 设备复位等。

2.2.4 告警控制

通过设置监测点的基准值 (正常值) 及报警阀值, 并对实时采集数据进行分析, 出现异常时, 通过报警声、颜色及图标变化等方式向值班人员报警。

2.2.5 统计分析

水情采集数据包含有对水利建设, 灾害防控具有重要价值的信息。但这些数据必须进过统计分析后, 才能以直观的表现形式呈现出来, 为水利建设、灾害防控提供参考。本系统可设计按各种统计查询条件生成满足查询要求的各种统计图表, 如各站实时降雨量数据采集表;各站实时水位变化表采集表;各站降雨量日报、月报、年报;各站水位变化日报、月报、年报;各站降雨量逐时变化统计图, 时间轴可以是分、小时、天、月、年等;各站水位变化逐时统计图, 时间轴可以是分、小时、天、月、年等;各种汇总统计图表及趋势分析图等。

2.2.6 扩展性

系统要能扩展方便、灵活, 满足实际需要。

2.2.7 系统管理

用于系统基本字典信息维护, 参数设置, 系统用户的增、删、改管理, 权限控制, 口令修改等。

3 结语

随着科学技术不断进步和发展, 水文水情监测系统需要实现数据信息的共享, 实现水文监测功能的同时满足水文管理的要求, 增强和完善系统服务功能, 扩大监测的覆盖面积, 减少人力、财力和物力, 使资源利用率最大化。采用先进的通信方式, 解决在偏远无网络地区的数据采集和传输, 建设网络信息化, 特别是对经济欠发达的西南地区水文水情监测有重大的使用价值和现实意义。

本文提出的基于嵌入式的水文水情数据采集系统, 能实现水文水情的实时监测。采用无线网络传输技术, 可以实现高效率、低成本以及实时性数据传输。这对于目前的水文水情监测系统无疑是一较大的突破和改进。基于嵌入式的水文水情数据采集系统的设计思想还可以应用到更多的领域中, 如气象数据监测、灌区计量等野外以及偏远地区等环境恶劣的领域。

摘要：在信息少、采集点分散、技术薄弱、地处偏远山岭的流域、水库, 如何实时监测水情, 保证河道、水库安全, 进行灾害预防和控制;提高水资源开发利用、联合调度、科学管理提供决策依据。基于此, 提出的基于嵌入式的水文水情数据采集系统, 利用互联网采用令牌方式实现一对多的通讯。系统具有多种工作方式, 功能扩展灵活, 满足野外条件需要。

关键词：水文,水情,防汛,河道,令牌,数据采集