老挝天空地一体化水雨情数据监测系统集成及应用

李然 王巧丽

摘要：为满足老挝水雨情数据的监测需求，老挝建设国家水资源信息数据中心项目，建立了老挝天空地一体化水雨情数据监测的系统。以4G物联网络和北斗卫星网络为依托，进行了天空地一体化的水雨情数据监测系统设计。设计了以STM32-CortexM3微控制芯片为核心和以μC/OS-II实时操作系统为系统内核的硬件层，并介绍了系统功能的实现。结果表明：该系统在老挝项目中的实施运用，有效加强了老挝水文水资源监测预警能力。

关键词：水雨情监测; 天空地一体; 4G物联网络; 北斗卫星网络; 微控制器; 老挝

中图法分类号：TP23 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.004

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0019 - 06

0 引 言

构建老挝天空地一體化水雨情数据监测系统的设想源于老挝国家水资源信息数据中心示范项目建设。老挝数据中心项目实施范围包括老挝境内湄公河干流和12条主要支流，水资源自动监测站为该区间干、支流主要控制站，数据信息中心设在水文气象司。根据建设规划，需循序渐进地开展各省水资源自动监测站网的数据自动采集与传输系统建设。老挝地理环境复杂，尤其北部林区多，建设站点遍布全国，老挝国内的通信信号难以做到全覆盖和实时覆盖。为此，将中国水文监测运用的天空地一体化技术运用于老挝国家水资源信息数据中心项目的水雨情数据监测，对提升老挝水文自动测报技术的体系建设水平，加强老挝水文水资源监测预报预警能力，增进中老友谊，具有重大意义。本文根据老挝水雨情监测系统现状，从系统架构、系统硬件、系统功能和实施等方面介绍了天空地一体化水雨情系统建设情况。

1 老挝水雨情监测系统现状

老挝属热带、亚热带季风气候，全年气候以湿热为主，温差变化不大。老挝5～10月为雨季，11月至次年4月为旱季，年平均气温约26 ℃。全境雨量充沛，历史最大年降水量达3 750 mm，一般年份降水量约为2 000 mm。该国境内80%地区为山地和高原地区，且多被森林覆盖。地势北高南低，西部是湄公河谷地、湄公河及其支流沿岸的盆地和小块平原。发源于中国的湄公河是老挝最大河流，穿越老挝全境，流经西部1 900 km。

老挝降雨量虽丰沛，但雨量时空分布不均衡。年降雨量集中在雨季，其中7～9月为降雨高峰期，月降雨量从12月至次年1月最少，随后逐月增多。降雨主要集中在老挝中部的万象、波里坎塞省以及南部的沙拿湾省。湄公河老挝段蕴藏着丰富的水力资源，全国流域内存在60多处水头较合适地点可修建水电站。

老挝共有各类水文、气象站点299个，其中包括123个水位站、117个雨量站。

水文站的水位观测方式包括人工观测和自动观测，大多数站点采用委托当地居民进行人工观测水位的方式;雨量站为人工观测。根据现场查勘，现有监测站点存在水位观测设施年久失修、断面无法使用、雨量观测设施损坏等情况。水位、雨量等监测数据基本通过人工方式上报数据信息中心。总体上，老挝水雨情监测能力比较低，基础设施和管理能力相对薄弱。

水雨情监测站点选址时，除了考虑水文特征代表性外，还需考虑交通条件、安装环境、通讯条件等因素。老挝北部多山地、森林，地广人稀交通不便，站点不宜太过偏僻，不利于人员进行安装施工、维护。目前老挝有4家通信网络运行商，移动通信网络支持4G物联网络但不稳定，网络连接较差，偏僻地区网络情况更差。从稳定和成本角度出发，通讯方式要选取多信道互补的方式。

在项目实施过程中，重新布设了新的水位、雨量等站点，站点安装了新的水雨情观测设施，重新选择了具有代表性的监测断面。监测站点使用新技术传感器、先进的通讯设备和多信道数据传输的方式，从而系统实现了完全自动化，系统稳定性得到了大幅度提升。通过项目的实施，可以提高水资源开发利用水平，实现水资源统一配置和调度管理，从而提高水资源管理与公共服务水平。

2 天空地一体化水雨情监测系统建设

随着信息通信技术的高速发展，水文监测手段已由早期的人工观测、单向报讯向自动监测、双向交互的水文自动监测技术转变。天空地一体网络由多种异构网络混合组成，网络更动态、更可靠，多种异构网络可长期并存[1]。天空地一体化监测使水文自动测报技术在自动采集和自动上传数据的基础上，提升了系统传输和处理的实时性[2-3]。作为空基网络的重要部分，4G物联网络等公用网络技术已广泛使用，成为目前普遍使用的基础通信手段[4-5]。作为天基的重要部分，中国的北斗卫星系统开通全球服务以来，系统运行平稳，经全球范围测试评估，在中国及周边地区的定位、交通、农业、公安、气象、测绘等领域已开始规模化应用[6-7]，在国外地区广泛使用北斗卫星已经实现。随着4G物联网络、北斗卫星网络等技术的进一步发展和完善，水文自动监测技术进一步向天空地一体化监测转变。

3 系统架构

天空地一体水雨情监测系统总体思路如下：以实现水雨情要素监测为出发点，提高系统的实时感知能力和多任务响应能力[8-9]，通过无线网络通信，实现地基到空基、天基的传送[10]。水雨情要素监测系统模型可划为要素感知层、网络通信层和数据信息层三层结构模式，结构见图1。

（1） 要素感知层。该层包括多个地基水雨情感知站点。站点设备包含数据处理控制器、水位传感器和雨量传感器、通信节点和供电。整个要素感知层的设计要求是体积小、功耗低和可靠性高。

（2） 网络通信层。该层是以4G物联网络为基础的空基网络和以北斗卫星网络为基础的天基网络通信方式。4G物联网络和北斗卫星网络以主备的方式运行，一般情况下通信以4G物联网络信道运行，北斗卫星网络关机。当4G物联网络运行出现故障时，通信节点自动启动备用的北斗卫星网络。

（3） 数据信息层。该层即为信息数据中心，接收感知的水雨情要素，对数据进行汇聚、整理和存储，同时可下发指令，实现实时交互功能。数据信息层同时面向用户，实现用户实时操作，向用户进行进行数据展示、分析计算，同时接收用户的下发指令。

4 系统硬件设计

系统硬件设计主要是以地基要素感知层的设计为中心。地基要素感知层作为底层的关键部分，既要满足数据的接收和发送，也要满足节点的低功耗要求。

4.1 要素感知层硬件

（1） 数据处理控制器。采用基于STM32-CortexM3系列的低功耗嵌入式32位ARM微控制器主控芯片技术，集成了以72 MHz频率运行的高性能ARM Cortex™-M3 32位RISC内核、高速嵌入式存储器（高达256KB的闪存和高达64KB的SRAM）以及广泛的增强型I/O操作系统和外围设备连接到两个APB总线。提供两个12位ADC、4个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及标准和高级通信接口，多达5个USART串行接口。数据处理控制器见图2。

（2） 水雨情传感器。气泵气泡压力式水位计，测量范围一般为0～40 m，输出格式为标准SDI-12数字协议，以便与数据处理控制器连接。雨量传感器为翻斗式雨量计，采用脉冲计数的方式记录雨量值，可与数据处理控制器的IO接口直接连接。

（3） 通信节点。连接4G物联网络通信模块和北斗卫星终端机。作为通信主信道的4G物联网络通信模块具有232接口便于和节点连接，采用长加电的供电方式便于随时响应。作为备用通信信道的北斗卫星终端机采用普通型北斗用户机，直接连接通信节点，采用控电的供电方式，减少电源消耗，提高通信效率。

（4） 供电。系统自动监测需要可靠、不间断的电力供应，且能在野外全天候条件下工作，故电源可靠性和抗干扰性对系统至关重要。水雨情感知站点大多布设在偏僻的山区、林区，供电采用太阳能浮充方式，蓄电池直流供电电压统一采用12 V标称电压。电池容量保证在45 d连续阴雨天的情况下能维持正常供电，太阳能板功率要在连续45 d阴雨天后能在10～20 d内将电池充足，配置相匹配的充电控制器。

4.2 网络通信层硬件

（1） 4G物联网络通信模块。采用4G DTU，具有全网通、低功耗的特点，支持RDP协议，可以动态管理设备参数和状态;支持远程DDP协议、可以远程对设备进行配置、状态查询、状态监控。支持透明TCP/UDP/SMS，DDP+TCP/UDP/SMS等多种通讯方式。支持多通道同时在线、数据和短信通道互备份、数据和数据互备份。

（2） 北斗卫星网络用户机。机型具有开放的水文、水电、气象、海洋等领域信息通信协议，能与各领域信息中心的北斗卫星网络系统兼容，实现系统无缝衔接。采用自主研发基带芯片，功耗低、稳定性好、可靠性高。北斗卫星网络用户机广泛应用于各个行业野外无人值守自动测报站数据传输和实时监控。

（3） 北斗卫星网络指挥机。不同于普通用户机型，指挥机能够定位和通信，可实时监视下属机型用户的定位和通信信息，可利用短信通播、群发等功能实现对下属用户的指挥控制，便于上级指挥调度组网使用。网络通信层硬件设备见图3。

4.3 数据信息层硬件

数据信息层主要由高性能服务器、供电系统和网关等硬件设备构成，能够满足来自4G物联网信道或北斗卫星信道数据接入的需求。

服务器具有较高的可用性和稳定性，能满足长期稳定工作的要求，不易出问题。同时服务器还具有一定的易使用性和易管理性，一般用户即可简单操作，用户体验人性化，具有关键恢复功能和操作系统备份功能。

5 系统功能实现

系统采用新一代YAC2018遥测终端机，该终端机使用了STM32-CortexM3系列处理器，搭载嵌入式实时操作系统，可有效实现系统功能。

5.1 嵌入式实时操作系统

嵌入式实时操作系统已取代简单的控制回路，可用于解决要素感知层的实时性问题和多任务处理问题[11-12]。实时操作系统uC/OS-II内核是一个开源的、嵌入式的、实时的、多任务的操作系统内核，具有可移植、可扩展和高速的特点，适用于实时多任务嵌入式系统。将实时操作系统uC/OS-II移植到STM32-CortexM3系列微处理器上，可以创建多个任务、支持多任务处理，确保系统的多任务处理的协调性。操作系统的任务切换十分灵活，任务可剥夺、暂停，具有良好的实时性[13]。

5.2 遥测终端机

YAC2018遥测终端机集成了RS232接口、RS485接口、SDI12接口、IO接口、調试接口、LCD显示和电源等部分。YAC2018遥测终端机具有丰富的外设接口，可以连接4G物联网络通信模块和北斗卫星网络终端机。YAC2018遥测终端机见图4。

5.3 功能模块

系统具有水雨情要素感知功能、数据传输功能、参数配置功能和远程实时交互功能四大功能模块。

（1） 水雨情要素感知功能。水雨情感知站点采用多线程编程技术，在规定的时间点自动感知到水位和雨量，并存储在硬件Flash中，也可根据本地人工干预或远程实时要求，进行即时感知水位和雨量，并返回即时数据信息。

（2） 数据传输功能。数据传输包括水雨情要素的定时自报和自动加报上传。定时报按照预先设定的时间间隔，上传该时间段内的水雨情要素数据。自动加报为自报时间未到时，水雨情变幅达到设定阈值时自动上报要素数据。

（3） 参数配置功能。每个站点都有其特定的信息，如站点编号、主备信道选择、水雨情要素传感器类型或感知频次等，可由用户自行配置。YAC2018遥测终端机可通过LCD显示屏或PC机在本地配置，也可远程通过网络通信进行配置。

（4） 遠程实时交互功能。远程实时交互功能包括水雨情要素的即时召测、历史数据批量传输和站节点运行参数读取设置。交互过程即时响应，数据回应迅速，不影响站点的正常自动运行。

5.4 数据接收和服务

信息数据中心系统实时接收水雨情要素信息进行数据存储、入库等处理。用户在数据信息层进行水雨情感知站点参数的实时读取和设置，对水雨情要素进行即时召测、对历史数据进行批量获取。提供水雨情要素数据图形界面显示，可修改库存数据。提供数据分享和交互服务，可将数据推送到用户的移动接收端。

信息数据中心系统采用万兆以太网技术，按功能区划分为内网和外网。内网使用以太网交换机作为核心交换机。外网使用配置核心汇聚路由器和防火墙，防火墙即为数据中心边界，同时起到隔离作用。

基于网络安全和老挝使用人员对数据安全的需要，信息数据中心系统采用高性能防火墙策略，可提供安全接入、抗外来攻击、实时检测入侵、强力防御恶意病毒等保护，同时提供高性能VPN、带宽管理等综合安全保障。为进一步保障网络的稳定性，系统采用内外网双网冗余结构设计，提供双保险。

6 系统实施和注意事项

目前老挝天空地一体水雨情数据监测系统已经建成，一期已建成的站点正实时地向水文气象司的数据信息中心上报水雨情要素信息。已建成的站点运行正常、稳定、可靠。由于老挝地理环境等因素影响，4G物联网络难以持续保持稳定，当4G物联网络数据传输不到位时，北斗卫星网络适时启动上报数据，保以证数据的实时性和完整性。

信息数据中心运行情况稳定，数据收集完整度高，数据实时处理、展示情况良好。

远程读取水雨情要素数据、更改运行参数，系统及时响应、正常运行;数据成果展示、形成过程曲线实时稳定。站点现场见图5。

为避免再次出现系统运行数年后，因疏于维护和管理导致站点设备损坏、通讯中断、数据中断等情况，需要在系统运行过程中加强检查和管理，保障系统正常运行，使其长期稳定发挥效益。运行维护方面需注意以下事项：① 定期对站点进行巡检，检查站点设备供电、通讯等，可参考中国做法，每年定期进行汛前检查;② 每年对传感器进行率定，及时修正测量中出现的误差;③ 注意对站点周边环境的保护，因自然灾害导致的损坏应及时修复，若出现人为损坏应及时制止;④ 注意信息数据中心是否出现异常数据或报警信息，一旦出现，应根据数据信息提示查找原因;⑤ 定期对网络设备进行升级，避免因安全漏洞出现网络安全、数据安全等问题。

7 结 语

老挝数据中心项目采用老挝天空地一体化水雨情数据监测系统架构，项目中的设备全部采用中国自主研发的全套最新设备，利用以4G物联网络、中国北斗卫星网络通信技术相结合的空天地一体化架构，实现了信息自动采集传输和互联互通。该项目的实施大大提升了老挝水文自动测报技术的建设水平，提高了水文水资源监测预报预警能力和综合服务水平。

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Integration and application of Laos air-space-land integrated water and rain regime data monitoring system： a project case of National Water Information Center in Laos

LI Ran， WANG Qiaoli

（Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan  430010， China）

Abstract： In order to build Laos National Water Information Center， a system for integrated water and rain data monitoring of the sky and ground in Laos was established to meet the monitoring needs of water and rain data in the complex environment of Laos. Based on 4G Internet of Things and the Beidou satellite network， the design of an integrated air-space-land water and rain data monitoring system as proposed The hardware layer was designed with STM32-CortexM3 micro-control chip as the core and μC/OS-II real-time operating system as the system kernel. The realization of the system function is introduced. The implementation and application of this system in Laos project has effectively strengthened Laos'  hydrological and water resources monitoring and early warning capabilities.

Key words： water and rain regime monitoring; air-space-land; 4G Internet of Things; Beidou satellite network; microcontroller; Laos