基于物联网的水土保持在线监测系统设计

摘 要：传统水土保持监测存在人工取样困难、实时性差等问题。设计了基于物联网的水土保持在线监测系统。使用水土保持监测设备采集数据，通过4G DTU模块将数据上传至阿里云物联网平台，再传输至云平台上的服务器，实现对数据的显示、分析和管理，以及对系统的管理。同时对数据传输过程中可能出现的故障进行处理，保证采集的数据均可顺利上传至阿里云物联网平台。实验结果显示，该系统的误判率最高不超过0.39%，能够稳定运行，可实现对水土保持数据的在线监测，提高了水土保持监测系统的信息化水平，对我国的水土保持工作具有重要意义。

关键词：物联网；水土保持；数据监测；远程通信；云平台；B/S架构

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

根据《关于加强新时代水土保持工作的意见》，要深入推进“互联网+监管”，提高监管精准化、智能化水平，推进云计算等现代信息技术与水土保持的深度融合，提高管理数字化、网络化水平[1-2]。

近年来，国内的研究学者也做了许多研究。文献[3]设计了基于红外光传感器的泥沙在线监测方法，文献[4]设计了基于GPRS通信的地表径流泥沙在线监测系统，文献[5]开发了基于4G的径流泥沙远程监测云平台，文献[6]设计了数字水土保持智慧管理平台，文献[7]设计了基于云平台的水土保持远程监测系统。上述研究成果对推进水土保持监测具有促进作用，但仍存在诸多问题。水土保持监测设备部署地点一般较偏僻，数据传输过程一旦遇到信号较差等情况，会导致数据上报失败，致使数据丢失。同时，上述方法存在智慧化程度不高、数据格式标准不统一、信息难以共享和调用、系统无法支撑业务需求等问题。

针对当前水土保持监测领域存在的问题，本文开发了一种基于物联网的水土保持在线监测系统，利用4G DTU将数据远程传输到阿里云物联网平台，并利用部署在云平台服务器上的水土保持在线监测系统，实现数据的存储、分析、管理等功能，为科研人员提供相关数据支撑。

1 系统总体设计

水土保持在线监测系统是一种基于云平台的在线监测系统，具有实时数据采集、远程数据传输、历史数据管理、设备信息显示、设备用户管理等功能。系统整体框架如图1所示。其包含硬件设备层、传输资源层、服务器资源层、系统功能层。

各层的具体功能如下：

（1）硬件设备层由泥沙含量传感器、水位传感器、温度传感器等硬件设备组成，通过数据采集模块实现数据信息的自动化采集与处理。

（2）传输资源层由4G DTU模块和阿里云物联网平台组成。硬件设备层的传感器采集数据，经过数据采集模块处理后，再通过4G DTU模块将数据信息上传至阿里云物联网平台。Web应用服务器与物联网平台之间建立远程连接通道，实现实时通信和数据信息的远程传输。

（3）服务器资源层由阿里云上的Web服务器和数据库服务器组成。数据库服务器存储由硬件设备层采集并由传输资源层上传的数据信息和系统管理信息，Web应用服务器对数据库服务器进行增加、删除、修改、查询等操作，实现数据管理服务和系统管理服务。

（4）系统功能层以B/S架构的方式提供水土保持在线监测系统的所有业务服务，实现数据的显示、分析和管理，以及对系统的管理，为系统业务逻辑的实现层。

2 系统功能设计与实现

根据系统总体需求进行系统功能设计，系统主要包括设备数据管理、设备管理、系统管理、告警管理、个人中心5大功能模块。系统功能模块设计如图2所示。

（1）设备数据管理模块包括实时数据管理模块、数据列表管理模块、数据条件管理模块、数据统计分析模块。实时数据管理模块可以把远程采集设备最新采集的数据进行图形化直观显示；数据列表管理模块将监测数据在系统界面通过列表形式进行显示，还具备条件查询和导出功能；数据条件管理模块具备按照起始时间和结束时间进行查询的功能；数据统计分析模块以日统计、月统计、年统计3种时间维度进行数据分析，以泥沙含量、径流量、水位3种类型维度进行数据分析，能够展示数据在不同时间维度的统计变化情况。数据曲线显示界面如图3所示。

（2）设备管理模块由设备分布模块、设备信息模块、设备配置模块组成。设备分布模块在地图上根据GPS坐标对设备进行定位，并通过弹出对话框的方式展现设备的基本信息；设备信息模块具备设备信息的显示、查询、修改和删除功能；设备配置模块的主要功能是分配设备，超级管理员把设备分配给管理员，管理员把设备分配给普通用户。设备管理界面如图4所示。

（3）系统管理模块包括用户管理模块、角色分配模块。用户管理模块可以对每个用户进行信息修改、信息删除等操作。系统共设计了3种角色：超级管理员、管理员和普通用户。角色说明及功能权限见表1。角色分配模块为每个用户分配相应的角色，使其具有相应的系统操作权限，进而实现3级权限管理。

（4）告警管理模块包括实时告警显示模块、历史告警管理模块。实时告警显示模块把当前告警的设备和告警信息以列表的形式呈现，人们可以查看告警的详细信息，也可以解除告警；历史告警管理模块记录该用户名下所有设备的告警情况，支持按照设备名称进行搜索。

（5）个人中心模块包括个人信息模块、密码修改模块。个人信息模块可以查看和编辑用户个人信息；密码修改模块支持对旧密码进行修改，保障用户的使用安全。

3 数据库设计与实现

水土保持监测数据是进行数据分析的基础，数据库作为数据信息存储的载体，负责数据的高效存储与规范管理。为了保证数据的有效性和完整性，同时方便对数据进行读取和分析，建立水土保持信息数据库[8]。

水土保持信息数据库不但要能够保存远程监测设备上传的大量数据信息，还要能够支撑系统的业务功能需求，包括对远程监测设备和系统用户的管理以及数据查询、数据统计分析等。根据系统实际业务需要，设计设备实体、数据实体、用户实体、告警实体、公司实体、角色实体、日志实体。

由于每台远程监测设备都会上传大量的数据信息，如果把所有设备上传的数据信息全部存储到一张数据库表中，会严重影响数据查询效率。为了避免上述现象发生，在存储数据信息时，针对每一台远程监测设备建立一张数据库表tb_devicedata_xxxx（xxxx为设备编号），使得远程监控设备和数据库对象之间实现完全映射。

4 远程通信故障处理

设备在实际使用过程中，DTU模块采用EC20，并通过4G方式传输，当4G网络信号较差时，数据无法正常发送，导致数据丢包，甚至出现通信模块掉线、设备无法正常连接阿里云物联网平台等现象。

针对上述问题，水土保持监测设备设计有FLASH存储芯片，并在DTU模块发送程序中做了相应的处理。在发送数据时使用加入ACK校验的发送方式，结合“AT+QMTPUB=0，0，0，0”模式进行发送，同时基于回显信息“+QMTPUB：0，1，0”进行判断，防止出现假应答现象，确保物联网平台一定能够接收到数据[9-10]。数据发送流程如图6所示。

当水土保持监测设备开始工作时，首先将DTU复位，之后连接阿里云物联网平台。如果没有连接成功，便一直尝试重连；如果连接成功，判断是否存在历史数据。如果存在历史数据，则优先发送历史数据；如果没有历史数据，或者历史数据全部发送完成，则发送实时数据。在数据发送过程中如果出现发送失败的情况，则重新进行DTU复位。

在DTU复位、连接阿里云物联网平台、历史数据发送等过程中，新产生的实时数据也存入FLASH芯片中作为历史数据，保证采集的数据不会在数据传输的过程中丢失。

5 系统应用实例

该系统目前已在北京圣海林生态环境科技股份有限公司投入使用，被广泛应用于国内多处水土保持科技示范园区以进行水土保持监测工作。以河北省保定市易县清西陵水土保持科技示范园为例，该水土保持监测站点部署了2台水土保持监测设备，设备上安装有泥沙含量传感器、水位高度传感器，它们分别测量泥沙含量、径流量等数据。现场设备安装情况如图7所示。

2023年7月，京津冀地区迎来特大暴雨。根据天气预报显示，保定市易县7月30日有较大降雨量。对7月30日7：00—18：00径流过程中采集到的数据（表2）进行分析（以h为单位求泥沙含量的平均值）。

由表2可知，泥沙含量随着径流过程中径流量的增大而增大，随着径流量的减小而减小。径流量、泥沙含量变化如图8所示。本次径流过程中，泥沙含量和径流量呈正相关关系。

本文的水土保持在线监测系统能够实时监测径流量和泥沙含量的变化情况，根据采集的数据呈现出的变化关系，工作人员能够及时做出预判，以防造成不必要的经济损失。

6 结 语

本文针对当前水土保持监测过程中信息化程度低、数据实时性差等问题，开发了一套自动化程度高、实时性好的基于物联网的水土保持在线监测系统。通过4G中DTU模块将水土保持监测设备采集的数据发送到阿里云物联网平台，并实时存储到云数据库中，在前台界面显示，供用户进行查看、分析。该系统实现了泥沙含量、输沙量、径流量、温度等数据的自动化测量和采集，对我国的水土保持工作具有促进作用。

注：本文通讯作者为肖爱平。

参考文献

[1]中共中央办公厅，国务院办公厅.关于加强新时代水土保持工作的意见[EB/OL]. https：//www.gov.cn/gongbao/content/2023/content_5738894.htm.

[2]展小云，曹晓萍，郭明航，等.径流泥沙监测方法研究现状与展望[J].中国水土保持，2017（6）：13-17.

[3]伍先锋，胡兴艺，李广源，等.基于红外光传感器的泥沙在线监测方法应用研究[J].水利信息化，2022（4）：41-44.

[4]江世雄，李熙，罗富财，等.基于GPRS通信的地表径流泥沙在线监测系统设计[J].电子设计工程，2022，30（16）：55-59.

[5]李文瀚，林海，闫茂德，等.基于4G的径流泥沙远程监测云平台设计[J].电子测量技术，2020，43（2）：33-37.

[6]裘涛，刘克军，陈汉邦，等.数字水土保持智慧管理平台研发[J].中国水土保持，2023（8）：57-60.

[7]祝起明，闫茂德，朱旭，等.基于云平台的水土保持远程数据监测系统设计与实现[J].电子测量技术，2018，41（24）：1-6.

[8]曾蛟.信息化建设在水土保持中运用研究[J].中国建设信息化，2022（10）：74-75.

[9]林科业.茶叶种植环境大数据采集平台[J].物联网技术，2023，13（2）：129-130.

[10]石伟，武志涛.基于GIS的区域水土保持成果可视化系统设计与应用[J].实验技术与管理，2022，39（4）：84-89.

作者简介：赵海涛（1996—），男，在读硕士研究生，研究方向为智能装备。

肖爱平（1971—），男，博士，副教授，研究方向为智能装备。

收稿日期：2024-01-22 修回日期：2024-03-11