物联网在高原寒区地下水监测系统中的应用

Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

张　磊1,2　冯建华1,2　袁爱军1,2　张建伟1,2

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心1，河北 保定　071051;

国土资源部地质环境监测技术重点实验室2，河北 保定　071051)



物联网在高原寒区地下水监测系统中的应用

Application of Internet of Things in Underground Water Monitoring System for the Cold Plateaus

张磊1,2冯建华1,2袁爱军1,2张建伟1,2

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心1，河北 保定071051;

国土资源部地质环境监测技术重点实验室2，河北 保定071051)

摘要：针对青海高原寒区地下水监测工作的现状，研制开发一种基于物联网技术的地下水自动监测系统，重点解决监测仪器在高海拔、低温环境下的可靠性。介绍了监测系统的结构组成及软硬件设计，并采取多项措施来提高监测仪器低功耗和稳定性。通过一年多的野外试验应用，系统运行状况良好。该系统的研究成功能更好地服务于青海高原寒区地下水监测方面的工作，为恶劣环境下的地下水监测提供先进的技术手段。

关键词：物联网高原寒区地下水监测系统数据传输全球移动通信系统低功耗信息管理控制软件

Abstract：Aiming at the current status of underground water monitoring in Qinghai cold plateaus,the automatic underground water monitoring system based on Internet of things technology is researched and developed.The reliability of the monitoring instrument under high altitude and low temperature environment has to be solved emphatically.The structural composition and software and hardware design of the monitoring system are introduced,low power consumption and stability of the monitoring instrument are implemented by adopting multiple technical measures.Through more than a year of field testing applications,the operating situation of the system is good,The successful research can better service for underground water monitoring of Qinghai cold plateaus,and provide advanced technical measures for underground water monitoring under harsh environment.

Keywords:Internet of thingsCold plateauUnderground water monitoring systemData transmissionGSMLow power consumptionInformation managementControl software

0引言

青藏高原寒区的多年冻土退化将导致多年冻土区水文地质条件发生改变，进而影响到区域水资源循环过程和生态环境。为了了解其分布状况和监控其变化趋势，开展冻土区和冻结层水的调查和监测工作是非常有必要的。研究多年冻土与地下水相互作用关系，对寒区生态环境和工程建设具有重要价值[1]。选择和研发适合高原寒区自然地理条件的工作设备、工作方法，是高原寒区地质环境调查监测工作开展必然要面对的问题。开展这些工作基础是地下水监测数据的获取[2]。现代社会地下水监测工作任务重、工作环境恶劣且监测手段落后，数据存储丢失风险大，且监测自动化程度不高[3]。

针对青海高原寒区的环境特点，开发了一种基于物联网技术的地下水监测系统并成功应用于野外工作。物联网技术的主要特点是通过信息传感设备，按照规定的协议实现人与人、人与物、物与物间全面互联的网络[4-5]。对地下水监测系统进行智能运行管理，首先依赖于对监测系统各个环节运行参数的在线监测和实时信息掌控，因此，物联网作为“智能信息感知末梢”，成为推动地下水监测技术发展的重要技术手段[6]。

1系统整体功能介绍

系统主要由地下水监测数据采集设备、数据通信系统、终端信息平台(含后台服务器和应用程序)组成。系统整体框图如图1所示。数据采集仪器负责水位水温等参数定时自动采集。远程传输系统通过数据采集设备，按照约定的协议进行信息交换和通信，以实现智能化采集、传输、监控、管理的监测网络。通信方式则采用了GSM短信。GSM业务按ISDN的原则可分为电信业务和数据业务[7]。数字业务中有短消息业务(SMS)，可以传递140个8 bit的ASCII字符的消息。地下水监测系统利用此功能传递数据和命令，解决了地下水监测现场与监控中心的距离限制问题。

图1　地下水监测系统整体框图

2系统的硬件结构

2.1数据采集部分

为了保证数据的可靠性和稳定性，地下水监测数据采集部分直接采用了国外进口的仪器，型号为美国In-Situ公司生产的Rugged Troll系列水位仪。

2.2数据通信部分

数据通信主要包括外界气压的采集和数据的传输。其中气压的采集频率与水下数据采集系统采样频率相一致。当数据传输装置中的定时系统定时时间到达时，数据传输装置被启动并同时唤醒井下的数据采集系统，将井下采集的数据和传输装置采集到的气压数据一并传送到控制中心站。完成一次数据上传循环之后，数据传输装置和井下设备掉电，进入休眠状态。

2.2.1主控制电路

主控电路的功能框图如图2所示。

图2　主控制电路功能框图

数据传输通信装置的设计相对仪器要求的运算功能并不是很复杂，但由于要在高原高寒地区实现全自动无人值守工作，这对仪器的功耗等要求比较苛刻。为适应这方面的需求，采用一种将中央处理器、存储器、高性能模拟技术、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的超低功耗微控制器。单片机在设计上主要突出了控制功能，调整了接口配置，使整个系统的效率和可靠性大大提高。将设计自动采集仪器与传输设备有效地融合在一起，实现监测数据的自动采集、存储、传输与全自动无人值守控制。

数据传输装置中的主控电路板负责整个装置的电路唤醒、气压传感器的采样、记录的发送、数据的处理以及外围的通信等工作。主控制电路也是整个系统的核心部分，所有功能都依靠主控电路的运行而有序工作。

2.2.2电源

在青海高原寒区的长期监测是一项艰苦而重要的工作，监测地点往往交通不便，没有电力设施，监测仪器一般采用电池供电、全自动工作、无人值守、定时测量等[7]。根据数据传输装置野外应用条件，同时为了方便维护，综合考虑耐用性、通用性与便携性,选定四节普通碱性1号电池供电。一个好的电源可以为整个电子系统提供稳定性的保障，电源系统设计不好，系统运行也会出现问题[8]。将系统设计成电源多路供电系统，分为稳压常通电源模块和可关断电源模块，其输出都为3.3 V,输入电压是6 V。系统采用低压差线性稳压器MAX1726进行降压处理，它的特点是超低电源电流，可以尽可能延长电池的应用。

在可靠信号触发后由电源唤醒单元唤醒系统，这时需要必要的功能单元才能启动消耗能源。一旦系统检测到没有可靠的信号触发或采集数据工作完成后，除维持基本功能的功能单元外，其他单元全部处于关闭状态，这样可以有效降低功耗，以满足长期的野外监测应用[9]。

2.2.3定时时钟唤醒电路

定时时钟唤醒电路作为整个监测系统的关键部分，提供一个标准稳定的时钟基准，协调监测系统各部分的统一运作。时钟系统的核心采用ISL2026时钟芯片，提供一个辅助供电引脚，当主电源电压低于某个阈值时，时钟芯片自动切换到备用电源供电，保证用户的时间信息不丢失。当实时时钟运行到事先设定好的时间点时，由芯片的时钟报警引脚给出一个低电平，微控制器可以根据该引脚状态进行相应的处理，也可以用作系统的上电唤醒源。

系统的定时时钟唤醒电路如图3所示。当用作上电唤醒源时，该报警引脚经组合逻辑电路后连接为控制电路，提供稳压电源芯片的使能引脚，控制电源芯片的打开与关闭，使得系统休眠时不工作的部分处于断电状态。当实时时钟运行到事先设定好的时间点时，由芯片具有时钟报警功能的第5管脚给出一个低电平。微控制器可以根据该引脚状态进行相应的处理，控制电源芯片的打开与关闭，使得系统休眠时不工作的部分处于断电状态。只有当时钟运行到采样时间或者需要传送数据时，才打开供电[10]。

图3　实时时钟电路图

3系统的软件部分

3.1数据通信传输控制软件

控制软件采用模块化的编程思想，并将整个软件工程按照应用层、功能层、硬件隔离层以及硬件驱动层划分为四个层次，采用标准通用协议作为应用层编程核心指导。严格设计各层功能函数的接口参数，使得工程中的各层函数只能相邻层可以直接发生参数交换。每一层的上层与下层函数之间是“不透明”的，只有硬件驱动层函数直接操作硬件，硬件驱动层以上的函数与硬件没有关系。这种编程思想指导下设计的软件具有易于维护、移植性好、性能稳定等优点。

3.2信息管理平台

信息管理平台由数据库服务器、管理终端、Internet 通信网络及相关的系统软件组成。监测数据的分析、计算、整理、汇总和存储是一个十分复杂的过程[11]。利用计算机技术和数据库技术搭建软件平台，实现对监测区域的水文数据远程管理与显示。监控中心可以对运行中的监控终端进行参数设置，以及对数据的处理、存储和分析，便于工作人员对监测区域的情况进行实时分析[12]。

监测设备管理系统的主要功能是对分布在各地的监测设备传输数据的接入，并实现实时监测数据的解析、同步更新、显示、查询、仪器设备管理、通信设备管理、监测井信息管理、报警等功能。按照功能分类，系统可划分为以下内容：数据接入部分、设备信息管理、数据管理等几部分，如图4所示。

图4　系统终端平台功能图

4应用

地下水监测系统开发完成后，在青海高原寒区利用专用地下水监测井，开展整套系统的应用。从青海高原寒区的不动泉至雁石坪段共安装九套地下水监测系统，安装地区的海拔高度在4 500 m以上。

每套系统每天按照规定的时间将监测数据通过GSM发送至中心站进行数据处理及发布。其中五道梁地区监测井从2012年10月运行至今，所采集的数据曲线图如图5所示，其中纵坐标表示水位埋深。

图5　监测数据曲线图

5结束语

基于物联网技术的地下水监测系统针对高原寒区特殊的气候特点，重点解决监测仪器在高原寒区环境下的稳定性、可靠性、低功耗等问题；以短信数据传输设备研发为核心，解决与采集设备连接的通信协议解析、通信协议与接口标准的制定等问题。研制的具有GSM远传功能的地下水监测系统，经过在青海高原寒区野外一年多的应用，整体上达到了预期的性能，包括监测数据(水位、水温、气压、气温)的采集、无线发送和接收，系统终端及上位机管理软件等都能够稳定正常地工作，实现了高原寒区恶劣环境下地下水监测的自动采集自动传输，建立了地下水动态信息采集、传输、监控、管理于一体的智能化监测网络。本文的研究应用为研究地下水与冻土之间的关系提供了数据支持，为保护青藏高原多年冻土以及为地下水资源合理开发与利用提供科学依据。

参考文献

[1] 程国栋,金会军.青藏高原多年冻土区地下水及其变化[J].水文地质工程地质,2013,40(1):1-10.

[2] 张磊.地下水动态自动监测仪的研制[D].长春:吉林大学,2013.

[3] 郭燕莎,王劲峰,殷秀兰.地下水监测网优化方法研究综述[J].地理科学进展,2011,30(9):1159-1166.

[4] 刘化君.物联网关键技术研究[J].计算机时代,2010(7):4-6.

[5] 赵静,喻晓红,黄波,等.物联网的结构体系与发展[J].通讯技术,2010,43(9):106-108.

[6] 鲁东海,孙纯军,秦华.基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用[J].华东电力,2011,39(4):567-571.

[7] 张爱丽,佟维新.基于GSM/GPRS的变送器实时监控系统[J].仪器仪表用户,2013(1):68-69.

[8] 赵贺.单片机系统设计中低功耗的探讨[J].自动化与仪器仪表,2009,26(6):66-68.

[9] 张磊,冯建华,袁爱军.地下水水位水温自动监测仪的设计[J].自动化仪表,2013,34(9):89-91.

[10]张磊,凌振宝,冯建华,等.地下水数据传输系统的电源设计与实现[J].电源技术,2015,39(1):116-120.

[11]张洋洋,赵建平,徐娟娟.基于物联网技术的水文监测系统研究[J].通信技术,2012(4):108-109.

中图分类号：TP273;TH86

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602013

国土资源部公益性行业科研专项基金资助项目(编号：201411083-4)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者张磊(1982-)，男，2013年毕业于吉林大学仪器仪表工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事地下水监测仪器的开发与应用工作的研究。