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案例详细
标题基于移动通信公网和无线传感器网络的水库遥测系统研究
技术领域运动控制
行业包装
简介章引入近年来迅速发展的网络技术，提出了将无线网络和移动通信公网应用到水情遥测中的设计思想。在此基础上，提出了基于移动通信公网和无线网络的水库监测系统的功能，其中是主要以摄像头为主的遥测系统，对该遥测系统进行了设计，并就遥测系统的优势和有待改进的地方做了详细的分析和描述。
内容







龚万立 （1968-）

男，湖北秭归人，工程师，本科学历，现就职于湖北省秭归县水利电力勘察设计院，主要研究方向为水利工程。

摘要：文章引入近年来迅速发展的网络技术，提出了将无线网络和移动通信公网应用到水情遥测中的设计思想。在此基础上，提出了基于移动通信公网和无线网络的水库监测系统的功能，其中是主要以摄像头为主的遥测系统，对该遥测系统进行了设计，并就遥测系统的优势和有待改进的地方做了详细的分析和描述。

关键词：自动监测；无线网络；移动通信网；设计

    随着社会生产力的不断提高和科学技术的高度发展，水利工程管理单位的自动化建设成为了水利现代化的重要组成部分，为了保证水库的度汛安全，充分发挥工程效益，合理利用水资源，提高灌溉效益和工程运行管理水平，采用高科技的水文信息采集和计算机监控技术，实现对水库的自动化监控，从而达到全天候的对水库各种观测数据的实时采集、洪水预报和大坝安全管理以及优化调度运行，是水库管理的必由之路，也是势在必行[1] 。因此，对此作了深入的研究和设计。

    研制流域水资源遥测系统的主要目的是：远程实时视频监视水位、流量、水闸状态；远程控制水闸开启和关闭，甚至操作者在国外都能实现，只要密码可靠，不担心被他人操控；清析、直观、实时了解现场状况及遥控效果[2] ；运行维护简单，完全可以实现现场无人值班无人值守的程度，上百个水库的调度与值班可交由防汛中心一人完成。

1 系统设计原则和整体结构

1.1 系统设计原则

1.1.1 系统整体性

    系统的整体结构和每一个环节的设计，都要充分体现运行、监控、管理一体化、自动化、网络化以及信息资源与设备资源共享的水利工程现代化管理趋势；

1.1.2 系统安全性

    在安全调度基础上，实现闸门系统的自动控制，充分发挥工程的效益。

1.1.3 落实可靠性第一的原则

    系统可靠性不仅指某一组成部分或某一设备，更重要的是系统的整体可靠性。系统任何一部分可靠性欠缺都会造成整体可靠性降低，因此，要采用成熟的经验和先进技术，把提高可靠性落实到从系统总体设计、各层次软硬件系统设计、设备选型、安装调试直到系统维护每一环节。

1.1.4 系统易维护、易扩展和可移植

    应用程序界面化，操作提示完善详细，便于应用和推广。管理人员经过短期培训就能掌握系统的操作和使用。故障易查、易排除是系统易维护的重要标志，借助上位机故障诊断系统，维护人员可以很快的确定系统发生故障位置和故障类型，使故障在很短时间内排除。

1.1.5 总体设计起点高

    为了充分发挥水库工程的社会效益和经济效益，适应科学技术日新月异高速发展的形势，该系统必须吸纳水利工程管理、计算机、自动控制、通信等各专业的高新技术进行设计，避免一些先天性的局限，维持系统资源的长远利益。系统设计应具有充分的开放性和可扩展性，便于今后的扩充。

1.1.6 系统应具有优越的性能价格比

    在保证系统功能完善、可靠性和先进性的基础上，尽可能降低系统成本，减少投入资金。　　　　　　

1.1.7 实用性强

    能及时的让水管机构掌握水库的水位、库容及进库、泄出流量的实时数据。以便于水管机构对奎屯河流域水资源的合理利用，提供可靠的信息，同时还可以进行历史数据的查询及通过历史曲线的观察，更快地掌握奎屯河的规律性。

1.1.8 实时性与兼容性

    实时反映各水库及渠道的水位及闸位的高度；测报系统在不改变水库原有的操作的情况下，系统一旦出现故障，水库按原操作运行，便于管理及维护。

1.1.9 多样性、扩展性

    系统可实现多种功能，在完成整个实时测报外，还具有参数存储、越限报警、即时打印、报表打印、故障打印等其他科室功能；预留数据接口，便于奎屯河流域水库群自动化管理发展的需要，且维修方便，易操作等原则。

1.2 整体结构

    防汛中心设备：一台普通的上网的电脑，网络带宽在4M以上。

    水库端设备：一台带485接口的网络摄像机、一台带485接口的水位控制仪、一台带485接口的流量仪、一台485接口的闸门控制器（含闸门位置数显、电机保护）以及配电箱。

    整体结构如图1所示：

    图1   水库自动化监测整体结构图

2 监控中心和监控管理

    监控中心监控中心的设备包括网络服务器、上位监控计算机(值班机)、离线管理计算机、水雨情显示大屏幕、闭路电视监视器和控制器、打印机、集线器（Hub）、调制解调器（Moder）、控制柜和控制台。监控中心是整个系统的核心。以Windows XP为网络操作系统构成星型局域网，实现信息资源、软硬件资源共享。

    用Pentium系列原装高档微机作为网络服务器，内置数据库服务器(SQLSever)、Web服务器、文件与打印服务器，并连接Modern，通过电话线或电台与外界联络，实现远程查询、互联网等功能。采用双绞线连接、TCP／IP协议、传输速率10M／100M。可以与外界Intenlet互联。各计算机统一分配IP地址。Web服务器上有供远程查询的实时动态主页和其他静态页[3，4] 。

    选用Pentium系列多媒体微机作为离线管理计算机、运行离线管理软件和办公服务软件，完成日常管理工作。配置的管理软件具有以下功能：系统管理与工程数据库管理；数据可靠性检验：资料查询包括数据检索、统计、年报、月报、日报、表格、图形、曲线以及防汛与工程资料查询；图形辅助资料分析包括多种资料解释模型；安全监控和预报；图象图形处理、多媒体演示、传真、接发送邮件等。

    选用工业控制计算机(工控机)作为在线监控计算机(上位监控机或值班机)，运行监控软件，完成日常监控任务。所配置的监控软件具有以下主要功能：采集水雨情、水库安全监测数据以及溢洪道泄洪闸、输水涵管闸门的运行工况；报警功能，当监测水位达到警戒水位时，立即发声光报警，进行调洪演算，给出安全泄洪方案和防范措施。并可自动进行泄洪闸的调度控制；对大坝进行实时安全监控；水雨情与大坝监测动态数据库管理。

    根据工程实际情况选用不同的联网方式：监控点联接宽带方便的选用直接Modem方式，监控点联接宽带不方便但无线通讯网络方便的选用移动通讯Modem方式，监控点联接宽带不方便，无线通讯网络也无信号但能用无线网桥接入网络的选用网桥联网方式。监测系统如图2、图3、图4所示。

                                      图2   直接Modem方式

                                     图3   移动通讯Modem方式

                                     图4   网桥联网方式

3 监测数据采集与输出

3.1 网络摄像机

    网络摄像机为摄像机和网络服务器组合在一起的，只要连接进Internet网络，就能在世界的任一角落查看实时视频。网络服务器带有485通讯口，可以采集水位信号、闸门位置信号、流量信号等，可以控制摄像机的云台旋转、闸门的操作以及其它设定的操作（如拦污栅的清污操作）。

    网络服务器采用高性能、功能强大的可编程媒体处理器，单芯片SOC，内置（ARM9＋DSP）和高速视频协处理器，高灵敏度CCD或CMOS传感器（SONY、SHARP等），优化的视频压缩算法，方便在窄带上实现高清晰的图像传输，最大可支持10个用户同时浏览，内置Web Server方便用户使用标准的IE浏览器实现对现场的实时监看和设置管理，支持远程系统升级功能，根据网络带宽自动调整码流大小和编码帧率，提供RS485/RS232 串口和内置各种解码器协议，支持透明传输协议。

    根据实际需要可选择固定安装的和自带云台的，根据防水要求可选择室内型和室外防水型，根据有无夜视要求选择是否带夜视功能的。

3.2 水位、闸位、流量显示仪

    水位控制仪为单片机结构，由投入式压力探头检测水压力来测量水位，水压的变化在探头上产生不同的阻抗，引入水位控制器。可设置一到二路水位报警信号，接入摄像机的报警输入口。水位、闸位、流量巡检仪有一路485的通讯口，可和其它组件一起接入摄像机（内部的服务器），可以通过网络读取到水位数据。

    闸门的位置信号由与闸门启闭机联动的电位器连接至巡检仪，电位器的阻值变化转化为闸门的位置信号，即时准确监测闸门的位置。

    用一水压力测量探头设置于水闸出口后一定距离的渠道上，用于测量渠道水深，通过积算监测放水流量，水位、闸位、流量巡检仪和闸门控制器一起装于墙挂式仪表箱，也可以与配电部分一起组合成一个控制柜。

3.3 闸门控制器

    闸门控制器（含电机保护）为闸门启闭控制的核心。

    控制部分的核心元件是MC-205 M/P10，是集保护和控制于一身的自动化元件，主要功能是在故障或事故时断开回路，保护电动机，稳定启动和停止正反向运转，配合网络元件可以实现四遥功能。

    MC-205 M/P10是具有先进的现场总线接口，基于微处理器技术开发研制的电机保护与控制装置。由微处理器来执行电机的保护与控制功能，完成对电机操作次数的统计、自诊断以及与上位机的通讯等。MC-205 M/P10为电机提供的完备保护，避免了因电机过载过热、堵转、欠压、轻载、断相、三相不平衡、电机过热（PTC）、接地等可能故障导致的生产事故，最大限度地保证设备运行的有效性与安全，MC-205 M/P10采用RS485通讯接口设计，保证了与上位机通讯的快速可靠，同时能快速响应上位机的实时查询等要求并执行相应操作。采用带背光高清晰度大屏幕液晶显示，全中文系统，设置简单方便。

4 系统功能

    本系统的功能主要包括[5] ：

    （1）自动采集监测数据。系统可对渗压、气压、渗流量、水位、水温、降雨量等各类型的传感器采取自动控制(自动式)和强制式(应答式)方式，可进行常规巡测、检查巡测、定时巡测、常规选测、检查选测和人工测量。

    （2）数据通讯。测控单元(MCU)与监测之间，监测室与控制室之间可以通过多种通讯设备实现双向通讯功能。

    （3）数据管理与分析。系统可对监测数据进行显示、存储和打印，建立档案，并实现在线处理和离线处理，还可以及时制成图表，对工程性态进行分析。

    （4）自检。系统具有自检能力，即主机可显示故障信息状态，以便及时检查维修。

5 结语

    从宏观的角度来看,以摄像头为主的水库自动化监测系统作为一种任务型网络和移动通讯网络的结合,有效地将各个级别、各种用途的流域监测点组成了一个综合网络,获得的信息被作为一个整体来处理,这样可提高信息的全局性和准确性。各种信息相互支持,也拓展了监测网络的决策应用范围。该系统的特点是利用实时采集各被监测区域的水情数据,进行存储、分析,利用强大的网络功能,实现了信息通畅、资源共享,提供大量准确的水文数据,从而为各级管理部门的决策提供了可靠的科学依据。


参考文献

[1]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]谢新民,蒋云钟,闰继军,等.流域水资源实时监控管理系统研究[J].水科学进展.2003,14(3).

[3]曾凡智,李凤保.基于GSM的网络化传感器系统[J].传感器技术.2004,23(4).

[4]孙增义.水情自动测报技术基础及其应用[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[5]徐立中,杨锦堂.水文自动测报系统的体系结构研究[J].河海大学学报,1998,(26)4:20-23.