王 磊，王志凌

(1.河南省洛阳水文水资源勘测局；2.豫西黄河河务局，河南 洛阳 471000)

0 引言

水文数据不仅能为防洪防灾的研究工作提供强有力的数据依据，还对制定水资源可持续利用决策起到至关重要的作用。 我国幅员辽阔，河流湖泊分布众多、纵横交错，组成了特有的水资源体系[1]。然而，近些年经常遇到反常的天气，尤其是在黄河和长江流域，当出现强降水的自然天气时，不仅容易出现山洪、泥石流等地质灾害，还会使河流的水位和流量暴涨，从而对河堤和水库堤坝造成极大的威胁，甚至有些地区出现了溃堤溃坝的危险，给人民群众的生命安全和财产安全造成损失，所以对水文数据监测的需要更为迫切[2-4]。

目前，全世界各国对河流的管理也非常重视，在主要的河流、水库和湖泊都建有水文站，但是我国在该方面的技术起步比较晚，仍有不小差距，很多水文站的数据采集方式还比较落后，大多采用人工每日涉水现场测量的方法，或者使用较为陈旧的测量设备，自动化程度和效率均较低[5-6]。针对这些问题，梁贵生等[7]人利用瑞谱型相控阵声学多普勒剖面仪实现了对黄河宁夏四排口河段的水位和流速的测量，虽然具有一定的自动化程度，但仍然需要人工参与作业，效率不高；韩东阳等人[8]将水文信息自动采集、传输、数据处理和预报等功能融为一体研制成功了水文智能机器人，具有较好的人机交互机制，但对数据的使用不能实现共享。为了改善这一局面，该文采用物联网、无线通信和自动化等技术提出了分布式水文动态监测及预警系统，通过在河流设置多个固定的监测节点来自动地获取水文数据，然后通过无线通信单元将采集到的数据实时发送至云平台进行处理、分析、保存和共享，为及时预警系统的自动化工作提供了保障，最终实现了对分布式水文站数据的集中监测管理。

1 问题描述及系统总体架构

水文监测主要是针对河流的流速、水位、流量、泥沙含量、水质及降雨量等信息的采集和记录工作，由于现有的水文站大多采用较为落后的监测手段，仍然存在以下问题[9-11]：

(1)人工监测繁琐，工作量大，还易受到天气等外界因素的影响；

(2)测量准确度低，存在一定误差；

(3)不能实时获取水文数据；

(4)获取的水文数据封闭，不能共享数据，无法形成有效的联动预警机制；

(5)监测点位少，不能对整个流域的水文数据进行全面的预测分析。

该文采用物联网技术设计了分布式水文动态监测及预警系统，系统主要由多个水文监测节点、OneNET云平台服务器、水文监测中心和应急预警系统等组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

每个节点都有位唯一的编码，根据监测的需要，将多个水文监测节点部署在(支流或干流)不同的位置，利用流量、水位、流速和泥沙等传感器采集河流的水文信息，然后按照预设程序将节点编码、采集时间、GPS位置和水文数据等打包，并通过通信模块将数据按照MQTT协议实时发送至OneNET平台的服务器上。OneNET平台非常适合各类物联网终端设备的接入，接收来自不同区域水文监测节点发来的数据，并保存在云数据库中，也可联动其他水文站，不仅可以获得每个监测节点的水文信息，还可以将多个节点的数据进行整合，从全局掌握整个流域的水文情况，也可以通过建模来预测未来一段时间的水文变化情况。

水文监测中心通过互联网访问OneNET服务器，利用API函数查看或下载各监测节点的数据，当遇到强降雨天气时，可通过获取的实时水文数据，了解河流或者水库在各个时间点的情况，便于预测整个流域水位、雨量和流量的变化，从而为防灾筑堤提供强有力的数据支持，最终把这些数据变成决策。一旦河水流量或者水位超过了预设的安全阈值，还可以自动向周围群众发送警报，提醒进行转移或采取抢险措施，避免或者降低洪水对人民生命财产造成的损失。

2 水文监测节点硬件设计

为了适应不同场景的需求，该文设计的水文监测节点采用了方便扩展的理念，可根据实际需求增加不同类型的水文传感器。水文监测节点的核心采用了控制器STM32F103ZET6，可集成各类水文数据采集传感器、显示、无线通信、定位、存储等多种模块单元。监测节点结构如2所示。

图2 监控终端构成

核心控制器STM32F103ZET6具有增强型的32位RISC处理内核，工作频率高达72 MHz，主要负责协调各类水文传感器进行数据采集、通信控制、数据存储、显示、电源管理以及处理各种中断请求。另外，该控制器具有丰富的I/O接口，包括：3个12位的ADC、2个I2C、3个SPI、2个I2S、5个USART、1个USB和1个CAN接口，所以非常方便地与各类传感器连接，满足不同水文数据的监测需求[11]。

由于监测节点均在户外，且大多部署在河流中，供电和通信是要解决的棘手问题。针对电网架设电线困难的问题，为了简化监测节点的部署复杂度，该文采用了太阳能供电方法，白天利用太阳能电池板发电，并将多余电能储存在蓄电池中，晚上则利用蓄电池内的电能继续为监测节点供电。针对远离有线网的覆盖范围的问题，为了简化开发，该文采用了成熟的无线数据传输模块ATK-M751，通过串口与STM32F103ZET6的USART连接，同时兼容移动、联通和电信的信号接入，具有高速率低延时的优点，且内置了NET,HTTP,MQTT和RNDIS等协议模式，通过AT指令设置DTU的模式为MQTT透传，方便接入阿里云、百度云和OneNET云平台，即监测节点的串口数据可通过DTU直接发到云平台上，同样也可以接收来自云平台的数据并以串口数据形式输出，DTU模块数据传输过程如图3所示。

图3 DTU模块数据传输方式

同时，该模块支持自动重连和掉线检测等功能确保网络的稳定可靠，当发现程序运行异常时，看门狗会自动复位，并自动重启DTU，来保证数据传输的连续性。

3 软件设计

在软件设计方面主要有水文监测节点和云平台端两部分组成。

3.1 监测节点软件设计

由于水文监测节点的功能较为简单，为了提高程序的运行效率和安全性，采用C语言设计了主循环程序，将芯片/传感器的初始化、水文数据采集、数据存储、定位数据获取、数据打包、数据发送和接收、数据解析、显示LCD、电量剩余情况等独立编写了子函数，最后主程序通过调用各子函数来完成。水文监测节点程序工作流程如图4所示。

图4 水文监测节点程序工作流程

水文监测节点上电启动后，首先初始化各硬件单元模块，并通过GPS模块获取地理位置信息，然后查看是否有输入的任务指令，如果有采集任务，则读取相应水文传感器的输出，同时采集当前蓄电池的电压值，最后将时间、位置、蓄电池剩余电量和水文数据按照数据流定义打包，再将打包数据发送给DTU串口，也就是发送到了OneNET云平台服务器。为了确保数据成功发送，增加了校验环节，节点等待云端返回确认消息，如果数据发送失败则重发，如果确认数据发送成功，则根据设置的采集周期，延时N秒后再次进入查询是否有新的任务指令的循环中。

3.2 云平台服务器OneNET软件架构

OneNET[12-14]是中国移动推出的物流网云平台，提供了诸如：EDP,MQTT,HTTP,TCP和Modbus等丰富的通信协议，适用各类型的传感器网络，可将设备轻松接入到互联网云平台，并将数据进行存储和处理，它的结构包括设备域、平台域和应用域三个部分，如图5所示。

图5 OneNET平台架构

水文监测节点与OneNET云平台通过应用层MQTT协议实现数据传输，不需要考虑设备接入层的环境问题，监测节点与OneNET的数据交互步骤为：请求建立连接，身份认证，连接成功，数据传输。另外，还能够给应用域的水文监测中心、联动水文站和预警系统推送数据或者提供API函数的调用功能，从而实现了云平台数据的实时共享。

4 测试结果与分析

为了验证该文设计的分布式水文动态监测系统的运行效果，将该系统应用在位于河南省洛阳市汝阳县小店镇紫罗山水文站进行验证，对北汝河的流量进行监测，流量传感器采用的是SEAIC生产的全新声学多普勒流速剖面仪，型号：SM-ADCP-2M，通过RS485接口与控制器连接，并实时上传到OneNET云端将数据进行保存，通过运算后，不仅能够得到监测点实时的河水流量数据，还能统计出日、月、年的数据情况，经过2020全年的测试，得到的流量数据如表1所示。

表1 北汝河流量实验结果(流量：m3/s)

从表1的结果可看出：该河流大部分时间的流量低于5 m3/s，甚至出现了连续多日低于1 m3/s的枯水期，但监测节点依然能够准确测量。在2020-06-22至2020-07-14突然出现了较大的河水流量，主要是由于该时间段上游及周边区域出现了较强的降雨天气。综合来看，设计水文监测节点仅用太阳能供电即可稳定工作，不仅能够准确采集该水文站的流量数据信息，而且在OneNET云端还能够按照需求生成日报表，从2020年的报表来看全年数据完整、准确无误，能够为水利工作人员研究该流域的水文情况提供科学准确的数据依据。

5 结束语

针对传统水文数据采集自动化程度低的问题，该文利用物联网、无线通信和自动化等技术设计了分布式水文动态监测及预警系统。水文监测节点采用了方便扩展的设计的方法，可动态采集各类型水文数据，并利用DTU模块通过MQTT透传协议将采集到的水文、位置和电量等信息实时发送至OneNET云平台服务器端。OneNET云平台服务器汇集多个监测节点数据，并存入数据库，供水文监测中心、预警系统或者联动水文站分享使用，当监测的水文数据超过阈值时，则会自动向预警系统发出警报，提醒工作人员采取必要措施。将该系统应用在紫罗山水文站，对2020全年的河水流量进行了测试结果表明：该系统工作稳定可靠，测量准确度高，采集的数据能够实时发布到OneNET云端，并得到了365天的流量数据日报表，为该流域的防洪预警和水利部门的研究工作提供了科学准确的数据，对制定合理的水资源利用决策具有重要意义。