基于物联网技术的智慧水利虚拟仿真系统开发

李妹?王?琨?张容娟

摘要：为了改善高职院校的实践教学环境，加快培养智能互联行业高素质技能型人才，根据智慧水利系统原理，开发了一种基于虚拟现实和物联网技术的虚拟仿真实训系统。围绕智能互联网络技术专业核心能力和智慧水利系统进行了硬件设计、功能设计、数据库设计、前端设计与开发、系统后台管理设计与实现。沙盘设备的数据可以通过实训平台上传到后台管理系统，利用多指标、多维度的算法分析能力，实现对智慧水利沙盘各设备实时控制和3D场景联动等。

关键词：智慧水利；虚拟仿真；物联网技术

一、前言

水是人类生存的基础资源，随着人口和经济的增长，水资源需求不断增加，可用水的压力不断增加。尤其是干旱和水资源缺乏的地区，供需矛盾更加严峻。随着全球气候变暖，水污染问题加重，对水资源的可持续使用提出了更高的要求。智慧水利属于智慧城市的一个部分，在百姓生活中占有重要地位。智慧水利是将物联网技术、传感器技术、嵌入式技术、大数据等新一代信息技术应用在水利领域，实现对水利对象的互联感知和智能控制，从而切实提高水利工程应用和管理[1]。

基于物联网技术的智慧水利虚拟仿真系统是一个高度复杂且前沿的技术研究领域。这种系统旨在通过物联网设备和高级数据分析技术，创建一个或多个实体水利系统的虚拟副本，即其“数字孪生”。通过这种方式，可以实现对水资源管理、供水、污水处理等方面的实时监控、分析和预测，以提高效率、降低成本并优化决策过程[2]。本文设计了一套实用、可靠的实时智慧水利虚拟仿真实训系统，沙盘作为一个整体，布置完成后可以独立演示智慧水利功能，比如水质监测、水位检测、渗漏检测、环境检测、能够补水、能够开闸放水、能够报警等[3]。实训项目实现专业课程的产教融合，凸显职业院校技能人才培养的特色。

二、系统整体设计

智慧水利虚拟仿真系统是一种基于虚拟现实和物联网技术的水利管理工具，旨在模拟和分析区域的水资源。系统通过虚拟现实技术创建一个三维模型，模拟水资源系统、水库、水源地等关键因素。用户可以在虚拟环境中观察和探索这些因素，了解水质状况和运行状态。使用水利沙盘模拟数据集成与监测，系统可以集成各种实时的水务数据，如监测站数据、水质数据和水位数据等。通过数据的实时监测和分析，用户可以实时了解水资源的情况、水质变化、水位波动等重要信息。

系统开发涉及的关键技术有传感器技术、传感网应用开发、无线通信技术的应用、虚拟现实技术等。系统整体结构如图1所示，可以让学生了解智能互联系统的关键技术，提升工程应用能力。图1中，智慧水利沙盘中的感知单元均采用工业级传感器，采用RS485接口，测量精度高、耐高温潮湿等。

三、系统主要模块设计与实现

（一）硬件设计

系统需要演示智慧水利的功能：水质监测、水位检测、渗漏检测、环境检测、能够补水、裂缝计、能够开闸放水、雨量传感器、能够报警等。沙盘的硬件框架设计如图2所示。串口服务器提供串口转网络功能，可以实现485网络接口数据的双向透明传输[4]。终端触摸屏是常用的一种智能化设备，采用1920×1200dpi分辨率，10.1英寸屏幕，运行在Windows操作系统上。它可以通过物联网技术实现对沙盘环境参数的实时监测和控制。

（二）数据库设计

数据库主要用于仿真沙盘中温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、PM2.5浓度检测传感器、液位传感器、降雨检测传感器、二氧化碳浓度传感器等硬件传感器最新历史数据的存储，以及对灯光、水泵、闸门控制状态的记录。主要数据表如下。

第一，空气、裂缝检测表（t_air_rent）：ID标识、二氧化碳浓度、光照强度、裂缝传感器数据、上行数据时间。

第二，裂缝状态记录表（t_crack_status）：ID标识、状态、上行数据时间。

第三，闸门状态记录表（t_gate_status）：ID标识、状态、数据上行时间。

第四，水泵状态记录表（t_pump_status）：ID标识、状态、数据上行时间。

第五，光照状态记录表（t_light_status）：ID标识、状态、数据上行时间。

第六，用户阈值自定义表（t_user）：ID标识、温度、PM2.5、水位、水质、操作时间。

第七，沙盘环境数据检测表（table_env）：ID标识、PM2.5浓度、雨雪检测、降雨量检测、上行数据时间。

第八，沙盘温湿度检测表（table_temp_hum）：ID标识、温度、湿度、上行数据时间。

（三）前端设计

前端开发框架选用Vue2.0，Vue会监听数据的变化，从而自动刷新渲染页面。虚拟仿真系统需要实现3D场景，如图3所示，3D场景功能主要实现天气切换、模型旋转控制、视角切换、场景模型添加点击事件等信息展示，还可以模拟水闸开启与关闭、水泵开启与关闭，同时，所有传感器数据虚拟场景一键展示。

（四）底层设备通信协议

传感器和控制设备之间的通信选用MQTT协议，MQTT协议适用于低带宽和不稳定的网络，且易于实现[5]。协议配置的主题分为：up（上行数据主题）和down（下行数据主题）。传感器数据协议和状态上传数据协议选择up主题，状态下行数据协议选择down主题。数据大屏能控制沙盘模型补水/开闸（对应水泵与水闸）、灯光和裂缝模拟，能够下行控制传感器开启与关闭，控制返回传感器修改后的状态，初始化时也应显示数据上传两个控制继电器的状态。

（五）后台开发设计

后台管理使用Java程序实现MQTT服务订阅，对MQTT服务进行消息接收与下发控制。编写对应的底层设备消息接收与下发控制接口，实现可视化大屏前端访问后端数据接口，从而获取沙盘各传感器上行数据进行展示，UI控件下行可以控制底层终端设备。后台Java程序开发框架选择Spring Boot技术框架，底層设备历史数据存储选用MySQL数据库管理系统，底层设备数据接收的下发数据通信协议选用MQTT协议[6]。

四、系统运行调试

智慧水利虚拟仿真实训平台将沙盘设备各元素进行一对一还原复刻，提供水利沙盘全景虚拟模型视图，支持360度全局视角浏览模型，做到对智慧水利数据的宏观把控。对水库大坝中的元素进行微观细化处理，例如，支持放大、缩小、旋转、平移、点选等操作。平台通过与沙盘设备实时数据上传，让沙盘设备能够自启上云，精准、全面、实时地获取细粒度数据，并通过对数据的解析、清洗、加工、聚合、缓存，提供场景交互功能，实现对沙盘各设备实时控制、本地场景联动、边云协同等。图4为智慧水利虚拟仿真实训系统实物图，从中可以看到智能控制系统，配合视频监控系统，采集空气温度湿度、二氧化碳、光照等环境数据，将采集到的这些数据上传到智慧水利虚拟仿真实训平台中，管理员可以通过平台对数据进行查看和分析。

智慧水利虚拟仿真实训管理平台如图5所示。通过环境检测设备，实现对温湿度、光照等进行感知。将反馈的数据生成可视化沙盘，具备检测水质、天气等功能。

五、结语

系统功能开发以安全、智能、绿色为原则，后台基于Spring Boot技术框架实现可视化大屏前端访问后端数据接口。系统聚集嵌入式、物联网、虚拟现实、软件开发等新一代信息技术实现智能互联，适用于电子信息、物联网、人工智能等专业实训课程使用，也能基于该平台进行升级改造用于“互联网+”创新使用。

参考文献

[1]冶运涛，蒋云钟，曹引，等.智慧水利理论体系与数字孪生流域虚拟模型研究成果述要[J].中国水利，2024（05）：41-51.

[2]燕永建.数字孪生技术与智慧水利系统的融合及应用[J].水电站机电技术，2023，46（11）：120-123.

[3]阳建平，刘佳伟.物联网平台在犬木塘水库工程中的应用[J].湖南水利水电，2023（05）：55-57.

[4]孙迎松，程小娟.泛在智慧水利低成本建设方案[J].水电站机电技术，2023，46（08）：136-138.

[5]曾德山.智慧水利感知系统通信传输的设计与实现[J].数字通信世界，2022（11）：32-34+94.

[6]王森，王霞雨，贾文豪，等.水库智慧调度研究进展与展望[J].人民珠江，2023，44（10）：25-34.

作者单位：福州职业技术學院

责任编辑：张津平