浅谈物联网技术在水文监测信息系统中的应用

马 朝

（河北省唐山水文水资源勘测局，063003，唐山）

我国幅员辽阔，各地的气候、地形以及地质特性、水文特性等差异都比较大，采用原始的人工记录和有线传输方式对水文水质等参数进行跟踪记录，不仅监测成本高、数据信息难以维护，且无法实现对水质水体参数的连续动态监测。随着现代互联网技术和通信技术的发展进步，物联网技术凭借其短距离传输、低复杂度和低功耗等优势，在工业控制和环境监测等领域得到了广泛的应用。由于物联网技术终端节点成本较低、部署方便、数据采集精度较高，因此较适合于对大范围水文环境变化进行监测。基于物联网技术的水文环境监测系统是实现智能化水文监测的重要手段，也是未来水文环境监测技术的主要发展方向。

一、物联网技术及体系结构分析

1.物联网及关键技术

物联网技术被誉为是继计算机技术和互联网技术后的第三次信息产业技术革命，是融合多项信息技术的新型技术体系。具体来说，物联网技术借助射频识别、红外感应器、全球定位系统以及激光扫描器等信息传感设备，按照一定的通信协议，实现对任何物品的物物相连，并借助互联网进行信息交换和通信，从而实现对物品的智能化识别、定位、跟踪以及监控管理。

物联网系统关键技术主要包括感知技术、数据融合与智能技术、云计算技术以及网络通信技术等等。

①感知技术：感知技术是实现物联网物物相连的基础，可采用电子标签和传感器等技术手段对采集信息进行标准化标识和信息感知，为物联网系统的信息处理提供原始数据信息。

②数据融合和智能技术：对感知层所采集的数据信息进行数据融合，主要是通过信息处理，得到高效且符合用户需求的数据信息。数据融合是处理传感网原始数据、得出数据监测结果的最有效手段和途径。智能技术主要是指为了能够得到有效的数据信息所应用的各种手段和方法。

③云计算技术：云计算技术指的是利用网络将计算机处理程序划分成无数较小的子程序，然后将各子程序交由若干服务器所组成的庞大的处理系统进行处理的过程。

④网络通信技术：物联网技术中所涉及的网络通信技术主要包括传感网和智能终端互联技术，其中传感网主要是指由体积小、能量低、存储能力小以及运算能力弱的智能物体之间所组成的传感网络。

2.物联网网络体系结构分析

物联网网络体系结构主要包括感知层、网络层和应用层3个层次。其中感知层主要包括各种传感器、电子标签、RFID标签和读写器以及GPS等感知终端设备；网络层主要包括互联网、广电网、云计算平台和网络管理系统等，网络层的作用主要是物联网的神经中枢，负责对感知层采集信息的传递和处理；应用层是用户和物联网的通信接口，结合行业需求，具体实现物联网的智能应用。物联网网络体系结构如图1所示。

二、基于物联网的水文监测信息系统总体架构设计

物联网技术的核心思想是对整个物理世界建立一个能够互联的感知网络，通过互联网实现信息实时交互，从而实现对整个物理世界的实时控制和精确管理。结合水文监测系统的工作特性，基于物联网技术的水文监测系统，主要应用物联网的信息采集、信息传输和智能控制等技术对水文数据信息进行采集和处理。根据物联网系统的体系结构，可构建基于物联网的水文监测信息系统总体架构，如图2所示。

图2所示的基于物联网技术的水文监测信息系统主要包括3个层次。其中，感知层也称数据采集层，由各种传感器组成，如水位传感器、降水传感器、六要素传感器等，感知层的主要作用就是利用各种传感设备对水文数据信息如水位、雨量、流速等进行实时采集，感知层中的水位遥测站能够根据所监测的水情进行自动查询和报汛。基于物联网的水文监测信息系统传输层主要包括GPRS、CDMA、北斗卫星和互联网技术，网络传输层主要完成对感知层所采集到的数据信息进行传输以及对各类传感器的控制。应用层的主要功能是对数据进行整理、统计和分析，以及对各个传感器进行调度和控制，应用层主要包括实时水雨情监测系统、山洪灾害预警系统和各级监控中心等。

三、基于物联网的水文监测信息系统实现

1.系统硬件监测平台建设

基于物联网的水文监测信息系统硬件平台主要包括各种水文参数终端节点、网关路由节点以及远程中心监控节点3个不同功能模块。基于物联网的水文监测信息系统硬件平台实际硬件拓扑图如图3所示。

硬件平台水文参数终端节点主要包括各种水文监测传感器节点，是整个水文监测系统的硬件基础，主要功能是利用数据采集模块（各种传感器）对水文参数进行监测，如水温、pH值、水位等。各种终端节点能够通过传感器将水文参数信息转变为数据调制信号，并通过终端节点天线向网关节点进行发送。

网关路由节点的功能主要是对整个水文监测区域的物联网和子网段进行自协调组网和信息处理。在建立水文监测物联网时，考虑到不同子网段的应用环境和测试重点不同，对各子网段应进行单独设置以避免各子网段之间相互干扰。在网络应用过程中，网关路由节点将定时发送查询命令，不断更新路由表。除此之外，网关路由节点还负责对第一步中所获取的水文数据信息进行处理和分析，将分析结果存入嵌入式数据库。在进行网关路由节点设计时一般采用星形拓扑设计，以适应大范围水域监测的需要。

远程中心监控节点在整个系统中处于管理中枢的地位，主要功能是对各个区域所获得的水文参数进行汇集和处理，对数据进行分析统计，并提出相应的合理化建议。在硬件组成方面主要是一些大规模的磁盘阵列和高性能的工作站服务器。具体监测过程中，远程监控中心发出的控制指令通过网关节点对终端传感器节点进行激活，终端节点按照指令对水文参数进行采集并通过网关节点发送给远程监控中心，中心对各节点数据参数进行汇集整理后，根据分析结果发送相应的控制指令。

2.系统软件集成设计

鉴于水文环境监测的复杂性，水文环境监测信息系统的功能往往也比较复杂，而且在进行水文监测系统设计时还必须考虑为将来系统功能的扩展预留软件接口。为了方便不同模块之间进行连接，基于物联网的水文监测信息系统在软件设计上应遵循一致性、模块化设计原则。目前较为常见的节点开发和应用平台多选用Linux操作系统，Linux操作系统在网络通信方面具有稳定、源代码开放等特有的优势。针对水文监测作业和物联网体系架构的特点，为保证系统整体一致性，基于物联网的水文监测系统终端节点可采用最小嵌入式Linux操作系统，网关路由节点采用普通嵌入式Linux操作系统，远程中心监控节点则采用完整的Linux系统进行开发和设计。

系统终端节点硬件平台由核心控制器、I/O接口、存储模块以及射频收发模块等部分组成。在进行终端节点软件设计时，节能设计是其中的一个重要方面，为了尽量提高终端节点数据采集的传输有效率，传感器节点可采用基于阈值的作业方式，以减少无用数据的发送和能量消耗。

远程水文监控中心软件在进行设计时应以系统界面友好为原则，便于用户的操作。具体设计时，可采用B/S架构，采用多种耦合方式构建核心平台和应用程序界面之间的联系，核心平台和应用程序界面之间的通信采用操作系统进程间的管道机制来实现。基于物联网的水文监测信息系统软件设计流程如图4所示。

四、结 语

随着物联网技术的普及应用，人们的生活方式和生活理念逐渐发生变化。物联网技术使人们在信息获取和信息处理方面发生了巨大变化。基于物联网技术的水文监测信息系统充分发挥了物联网在信息监测方面的优势，具有组网灵活、物理限制条件宽松、信息获取与处理方便等特点，相对于传统的水文信息监测技术，能够对水温、pH值、水位等相关参数信息进行准确的跟踪监测，对实时远程监测水文情况、减少灾害发生和降低洪灾损失具有重要的现实意义。

[1]吴蒋，任崇勋.基于ZigBee技术的饮用水水源地水质远程监控系统 [J].东北农业大学学报，2010（10）.

[2]舒坚，刘琳岚.无感知分组丢失下的无线传感器网络链路质量评估模型[J].通信学报，2011（4）.

[3]李俊，卢文喜，辛欣，等.判别分析法在饮用水源地水质评价中的应用[J].人民黄河，2009（2）.

[4]刘广林，汪秉文.基于Zigbee无线传感器网络的农业环境监测系统设计[J].计算机与数字工程，2010（10）.

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