多要素智能RTU设备系统研发及在水利行业中的应用

孙晶晶 高 原

一、引言

目前安徽省内各流域内防汛枢纽以及河流河道大多都已配备自动化监测系统，部分地区还是以人工观测上报方式获取数据，所提供数据的准确性和及时性与决策层所需相差甚远。现有自动化系统监测功能单一，监测水位、视频、水质等参数都采用独立的系统，无法实现数据融合及共享，随着水利工程管理要求的不断提高，河长制、湖长制等新政策新制度的推行，以及水利信息化的不断发展，水利管理手段必将向智能化、智慧化方面不断进化，因此对数据跨界融合的要求也越来越高。但由于种种原因，各种数据分散于不同口径、不同部门，数据完整度低，调用复杂，难以汇总、融合、利用。

本研究介绍了研制一种多要素智能RTU设备，可以兼容多种采集设备的RTU设备，包括采集水位、水质、雨量、风速、温湿度、视频等参数，并搭建流域性数据综合分析平台及手机移动查询平台。在一定程度上节省了成本开支，实现了数据融合及共享，使水管单位在管理手段上更加智慧化、智能化。

二、系统结构与采集流程

1.系统结构

多要素智能RTU设备系统主要由遥测站核心控制、中心站监控中心两个部分构成。遥测站核心控制部分为智能遥测终端RTU ；中心站监控中心部分包括数据综合分析平台、移动查询平台、监控服务器等。该系统的核心主要开发了遥测站智能终端RTU和数据综合分析平台软件。智能遥测终端RTU设备可外接具有485通讯接口、4～20mA接口，HTTP协议等通讯类型的传感器，定时采集水位、水质、风速、视频等信号数据至中心站，监控中心的数据综合分析平台软件完成对数据的处理统计及分析；智能遥测终端在硬件方面，配置了蓄电池及太阳能电池板，并采用低功耗设计以满足野外长期工作的需要，即使没有外电的情况下也可以使用。在软件方面，并实现了水位、水质、风速、视频等自采集、计算和传输的程序设计。支持不同传感器的数据处理，并采用不同的计算模型计算实时数据，并将数据采集入库，在数据综合分析平台展示，可以通过大屏显示终端显示，并开发对应手机终端移动查询平台进行数据检索查询。

2.采集流程

以多要素智能RTU设备系统应用在防汛抗旱监测系统为例，如图1所示，将多要素RTU设备安装在水位井房内，将各类通讯接口的监测传感器（水位计、水质监测仪、摄像头、温度计等）接入到RTU，进行数据监测和采集，并通过解码运算，通过传输层（光纤/无线电台/WIFI/GPRS）将数据发送至远端智能井房系统平台，并可以将界面展示在中心站的大屏展示平台系统中。

三、多要素智能RTU设备系统设计

1.多要素智能RTU设备结构与特点

安徽省水科院自主设计开发的多要素智能RTU设备是基于工业级32位微处理器的智能遥测终端机。智能遥测终端机主要由微处理器单元、串口通信单元、网络接口、USB 接口等组成，多要素智能RTU结构框图如图2所示。智能遥测终端具有以下功能：定时采集、存储、传输、断点续传、远程参数读取（方便维护）、SD卡存储、多系统维护（远程控制功能）。 智能RTU的使用，大大提高了水位站远程监测系统的智能化。

设备在研制过程中结合其他厂家RTU设备功能及特点以及现场使用的实际需求不断改进，考虑到传输数据量大，及传输的可靠性及费用问题，采用光纤、WIFI、GPRS等多种网络方式通信；安装在野外，考虑到供电及避雷问题，采用市电及太阳能蓄电池两种方式，确保在断电情况下RTU设备能断电运行2天，并配备避雷装置及电源保护器；考虑到数据传输的稳定性，在RTU上加载自主研发的具有智能纠错算法的专用芯片，以保障得到的数据资料实时精准。具备自检功能，一旦设备出现死机情况将自动重启，并具备定时重启功能；考虑到外接设备接口及通讯模式的多样性，多要素智能RTU设备兼容485信号、4-20MA电流信号、视频信号等。

图1 信息采集流程图

图2 多要素智能RTU结构组成图

图3 手机移动查询平台软件图

2.数据综合分析平台软件

该系统主要采用JAVA和.NET程序开发，系统兼容性高，在任何操作系统下都能正常运行，且后期添加删除功能模块可操作性高，后台数据库采用常用的SQL数据库，与上级主管部门的大数据融合简易便捷，且使用B/S架构，用户可以远程登录浏览，为水管部门的管理工作提供了便捷。

系统界面设计以简洁为主，以“一页”的方式将所有的功能以及参数都展示在操作界面中。监测系统软件将水位井房内设备监测的参数值（水位、电压、温度、湿度）以柱状图的方式展示，界面右上侧为实时视频监控图像及各参数的实时监测值。界面上侧为基本信息，包括GPRS信号强度及连接状态、时间信息等。软件同时提供数据按照年月日查询、数据输出、生成报表、联网打印等功能。同时后台数据库结构设计与上级水管部门一致，在互联网+飞速发展的时代，数据可以与上级主管部门交互传输。

该系统功能主要有：（1）实时监测水位井房内的各项参数，并自动录入后台数据库，采集频率最快0.1s一组，实时性高。（2）实现多项数据的监测、采集与处理。这些数据包括水位、电压、温度、湿度、视频图像等，要素多样。（3）数据录入库表结构设计与上级主管部门数据库表结构一致，数据可以与上级部门交互传输，兼容性好。（4）该系统也适用于农田灌排试验、水文地质指标、河长制等领域的定量研究，应用领域广。

该系统可实现在水位井房全过程实时监控与管理；控制方式灵活，采用Windows操作系统，可视化、直观性强，人机界面友好，操作方便。

3.手机移动查询平台软件

手机移动查询平台软件采用JAVA及XML开发制作，系统支持安卓及IOS系统的访问浏览，系统平台软件界面如图3所示。系统主要对水位井房的监测信息进行查询浏览以及数据报表的查阅。

移动查询平台软件的用户对象为水利管理部门人员，具有以下功能：

（1）信息浏览功能

管理单位人员通过分配的账号登录手机移动平台端，可以浏览其权限下水位井房的工况基本信息，包括水位、温度、湿度、电压、报警信息等。通过手指点击与滑动，也可查阅该参数的历史数据，其他相关信息一目了然。

（2）信息查询功能

用户可通过点击“历史数据”，查询水位井房相关参数的历史数据，按照日、月、年对某参数值进行查询浏览等，数据以报表以及曲线的方式展示。

（3）数据自动更新

数据更新功能是在用户登录系统后，对工程数量进行新增及对某个工程的参数进行修改的功能，从而能够更好地保证数据更新的实效性及工作效率。

（4）随手拍

随手拍是手机客户端的一个特色功能，为用户提供一个实时上传当前情况的端口，各级用户可以通过空间查询的图片显示功能查看到当时用户上传的实时图片，让用户随时随地查看现场情况。

（5）数据在线上传与下载

借助智能移动终端的多媒体功能，结合移动通讯（4G或无线网）技术，实现数据采集、无线上报等功能。为了保证手机客户端与网页客户端的数据一致性，手机端编辑的数据需要上传到网页端，同时网页端的更新也要下载到手机端。

四、总结与展望

本文介绍研制一种多要素智能RTU设备，可以兼容多种采集设备的RTU设备，包括采集水位、水质、雨量、风速、温湿度、视频等参数，并搭建数据综合分析平台。在一定程度上节省了成本开支，实现了数据融合及共享，使水管单位在管理手段上更加智慧化、智能化。

该系统以最基础、最前端的信息采集设备为抓手，着眼于实现多方位跨界数据的连续监测和记录，并运用大数据推演和机器学习智能分析算法对未来可能发生的情况进行模拟分析，并在水位井房成功运用，相信以后可以为河长、湖长等决策层以及其他行业提供真实可靠的数据服务