李然 王巧麗

摘要：為滿足老撾水雨情數(shù)據(jù)的監(jiān)測需求，老撾建設(shè)國家水資源信息數(shù)據(jù)中心項目，建立了老撾天空地一體化水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測的系統(tǒng)。以4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為依托，進行了天空地一體化的水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計了以STM32-CortexM3微控制芯片為核心和以μC/OS-II實時操作系統(tǒng)為系統(tǒng)內(nèi)核的硬件層，并介紹了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)在老撾項目中的實施運用，有效加強了老撾水文水資源監(jiān)測預(yù)警能力。

關(guān)鍵詞：水雨情監(jiān)測; 天空地一體; 4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò); 北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò); 微控制器; 老撾

中圖法分類號：TP23 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.004

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0019 - 06

0 引 言

構(gòu)建老撾天空地一體化水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)想源于老撾國家水資源信息數(shù)據(jù)中心示范項目建設(shè)。老撾數(shù)據(jù)中心項目實施范圍包括老撾境內(nèi)湄公河干流和12條主要支流，水資源自動監(jiān)測站為該區(qū)間干、支流主要控制站，數(shù)據(jù)信息中心設(shè)在水文氣象司。根據(jù)建設(shè)規(guī)劃，需循序漸進地開展各省水資源自動監(jiān)測站網(wǎng)的數(shù)據(jù)自動采集與傳輸系統(tǒng)建設(shè)。老撾地理環(huán)境復(fù)雜，尤其北部林區(qū)多，建設(shè)站點遍布全國，老撾國內(nèi)的通信信號難以做到全覆蓋和實時覆蓋。為此，將中國水文監(jiān)測運用的天空地一體化技術(shù)運用于老撾國家水資源信息數(shù)據(jù)中心項目的水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測，對提升老撾水文自動測報技術(shù)的體系建設(shè)水平，加強老撾水文水資源監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力，增進中老友誼，具有重大意義。本文根據(jù)老撾水雨情監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀，從系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)功能和實施等方面介紹了天空地一體化水雨情系統(tǒng)建設(shè)情況。

1 老撾水雨情監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

老撾屬熱帶、亞熱帶季風氣候，全年氣候以濕熱為主，溫差變化不大。老撾5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，年平均氣溫約26 ℃。全境雨量充沛，歷史最大年降水量達3 750 mm，一般年份降水量約為2 000 mm。該國境內(nèi)80%地區(qū)為山地和高原地區(qū)，且多被森林覆蓋。地勢北高南低，西部是湄公河谷地、湄公河及其支流沿岸的盆地和小塊平原。發(fā)源于中國的湄公河是老撾最大河流，穿越老撾全境，流經(jīng)西部1 900 km。

老撾降雨量雖豐沛，但雨量時空分布不均衡。年降雨量集中在雨季，其中7～9月為降雨高峰期，月降雨量從12月至次年1月最少，隨后逐月增多。降雨主要集中在老撾中部的萬象、波里坎塞省以及南部的沙拿灣省。湄公河老撾段蘊藏著豐富的水力資源，全國流域內(nèi)存在60多處水頭較合適地點可修建水電站。

老撾共有各類水文、氣象站點299個，其中包括123個水位站、117個雨量站。

水文站的水位觀測方式包括人工觀測和自動觀測，大多數(shù)站點采用委托當?shù)鼐用襁M行人工觀測水位的方式;雨量站為人工觀測。根據(jù)現(xiàn)場查勘，現(xiàn)有監(jiān)測站點存在水位觀測設(shè)施年久失修、斷面無法使用、雨量觀測設(shè)施損壞等情況。水位、雨量等監(jiān)測數(shù)據(jù)基本通過人工方式上報數(shù)據(jù)信息中心?？傮w上，老撾水雨情監(jiān)測能力比較低，基礎(chǔ)設(shè)施和管理能力相對薄弱。

水雨情監(jiān)測站點選址時，除了考慮水文特征代表性外，還需考慮交通條件、安裝環(huán)境、通訊條件等因素。老撾北部多山地、森林，地廣人稀交通不便，站點不宜太過偏僻，不利于人員進行安裝施工、維護。目前老撾有4家通信網(wǎng)絡(luò)運行商，移動通信網(wǎng)絡(luò)支持4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)但不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)連接較差，偏僻地區(qū)網(wǎng)絡(luò)情況更差。從穩(wěn)定和成本角度出發(fā)，通訊方式要選取多信道互補的方式。

在項目實施過程中，重新布設(shè)了新的水位、雨量等站點，站點安裝了新的水雨情觀測設(shè)施，重新選擇了具有代表性的監(jiān)測斷面。監(jiān)測站點使用新技術(shù)傳感器、先進的通訊設(shè)備和多信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，從而系統(tǒng)實現(xiàn)了完全自動化，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了大幅度提升。通過項目的實施，可以提高水資源開發(fā)利用水平，實現(xiàn)水資源統(tǒng)一配置和調(diào)度管理，從而提高水資源管理與公共服務(wù)水平。

2 天空地一體化水雨情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

隨著信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，水文監(jiān)測手段已由早期的人工觀測、單向報訊向自動監(jiān)測、雙向交互的水文自動監(jiān)測技術(shù)轉(zhuǎn)變。天空地一體網(wǎng)絡(luò)由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)混合組成，網(wǎng)絡(luò)更動態(tài)、更可靠，多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可長期并存[1]。天空地一體化監(jiān)測使水文自動測報技術(shù)在自動采集和自動上傳數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提升了系統(tǒng)傳輸和處理的實時性[2-3]。作為空基網(wǎng)絡(luò)的重要部分，4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等公用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已廣泛使用，成為目前普遍使用的基礎(chǔ)通信手段[4-5]。作為天基的重要部分，中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)開通全球服務(wù)以來，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，經(jīng)全球范圍測試評估，在中國及周邊地區(qū)的定位、交通、農(nóng)業(yè)、公安、氣象、測繪等領(lǐng)域已開始規(guī)?；瘧?yīng)用[6-7]，在國外地區(qū)廣泛使用北斗衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)。隨著4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進一步發(fā)展和完善，水文自動監(jiān)測技術(shù)進一步向天空地一體化監(jiān)測轉(zhuǎn)變。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

天空地一體水雨情監(jiān)測系統(tǒng)總體思路如下：以實現(xiàn)水雨情要素監(jiān)測為出發(fā)點，提高系統(tǒng)的實時感知能力和多任務(wù)響應(yīng)能力[8-9]，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)地基到空基、天基的傳送[10]。水雨情要素監(jiān)測系統(tǒng)模型可劃為要素感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層和數(shù)據(jù)信息層三層結(jié)構(gòu)模式，結(jié)構(gòu)見圖1。

（1） 要素感知層。該層包括多個地基水雨情感知站點。站點設(shè)備包含數(shù)據(jù)處理控制器、水位傳感器和雨量傳感器、通信節(jié)點和供電。整個要素感知層的設(shè)計要求是體積小、功耗低和可靠性高。

（2） 網(wǎng)絡(luò)通信層。該層是以4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的空基網(wǎng)絡(luò)和以北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的天基網(wǎng)絡(luò)通信方式。4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以主備的方式運行，一般情況下通信以4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信道運行，北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)關(guān)機。當4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)運行出現(xiàn)故障時，通信節(jié)點自動啟動備用的北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

（3） 數(shù)據(jù)信息層。該層即為信息數(shù)據(jù)中心，接收感知的水雨情要素，對數(shù)據(jù)進行匯聚、整理和存儲，同時可下發(fā)指令，實現(xiàn)實時交互功能。數(shù)據(jù)信息層同時面向用戶，實現(xiàn)用戶實時操作，向用戶進行進行數(shù)據(jù)展示、分析計算，同時接收用戶的下發(fā)指令。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是以地基要素感知層的設(shè)計為中心。地基要素感知層作為底層的關(guān)鍵部分，既要滿足數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，也要滿足節(jié)點的低功耗要求。

4.1 要素感知層硬件

（1） 數(shù)據(jù)處理控制器。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術(shù)，集成了以72 MHz頻率運行的高性能ARM Cortex?-M3 32位RISC內(nèi)核、高速嵌入式存儲器（高達256KB的閃存和高達64KB的SRAM）以及廣泛的增強型I/O操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備連接到兩個APB總線。提供兩個12位ADC、4個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及標準和高級通信接口，多達5個USART串行接口。數(shù)據(jù)處理控制器見圖2。

（2） 水雨情傳感器。氣泵氣泡壓力式水位計，測量范圍一般為0～40 m，輸出格式為標準SDI-12數(shù)字協(xié)議，以便與數(shù)據(jù)處理控制器連接。雨量傳感器為翻斗式雨量計，采用脈沖計數(shù)的方式記錄雨量值，可與數(shù)據(jù)處理控制器的IO接口直接連接。

（3） 通信節(jié)點。連接4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信模塊和北斗衛(wèi)星終端機。作為通信主信道的4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信模塊具有232接口便于和節(jié)點連接，采用長加電的供電方式便于隨時響應(yīng)。作為備用通信信道的北斗衛(wèi)星終端機采用普通型北斗用戶機，直接連接通信節(jié)點，采用控電的供電方式，減少電源消耗，提高通信效率。

（4） 供電。系統(tǒng)自動監(jiān)測需要可靠、不間斷的電力供應(yīng)，且能在野外全天候條件下工作，故電源可靠性和抗干擾性對系統(tǒng)至關(guān)重要。水雨情感知站點大多布設(shè)在偏僻的山區(qū)、林區(qū)，供電采用太陽能浮充方式，蓄電池直流供電電壓統(tǒng)一采用12 V標稱電壓。電池容量保證在45 d連續(xù)陰雨天的情況下能維持正常供電，太陽能板功率要在連續(xù)45 d陰雨天后能在10～20 d內(nèi)將電池充足，配置相匹配的充電控制器。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通信層硬件

（1） 4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信模塊。采用4G DTU，具有全網(wǎng)通、低功耗的特點，支持RDP協(xié)議，可以動態(tài)管理設(shè)備參數(shù)和狀態(tài);支持遠程DDP協(xié)議、可以遠程對設(shè)備進行配置、狀態(tài)查詢、狀態(tài)監(jiān)控。支持透明TCP/UDP/SMS，DDP+TCP/UDP/SMS等多種通訊方式。支持多通道同時在線、數(shù)據(jù)和短信通道互備份、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)互備份。

（2） 北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶機。機型具有開放的水文、水電、氣象、海洋等領(lǐng)域信息通信協(xié)議，能與各領(lǐng)域信息中心的北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容，實現(xiàn)系統(tǒng)無縫銜接。采用自主研發(fā)基帶芯片，功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性高。北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶機廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)野外無人值守自動測報站數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控。

（3） 北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)指揮機。不同于普通用戶機型，指揮機能夠定位和通信，可實時監(jiān)視下屬機型用戶的定位和通信信息，可利用短信通播、群發(fā)等功能實現(xiàn)對下屬用戶的指揮控制，便于上級指揮調(diào)度組網(wǎng)使用。網(wǎng)絡(luò)通信層硬件設(shè)備見圖3。

4.3 數(shù)據(jù)信息層硬件

數(shù)據(jù)信息層主要由高性能服務(wù)器、供電系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)備構(gòu)成，能夠滿足來自4G物聯(lián)網(wǎng)信道或北斗衛(wèi)星信道數(shù)據(jù)接入的需求。

服務(wù)器具有較高的可用性和穩(wěn)定性，能滿足長期穩(wěn)定工作的要求，不易出問題。同時服務(wù)器還具有一定的易使用性和易管理性，一般用戶即可簡單操作，用戶體驗人性化，具有關(guān)鍵恢復(fù)功能和操作系統(tǒng)備份功能。

5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用新一代YAC2018遙測終端機，該終端機使用了STM32-CortexM3系列處理器，搭載嵌入式實時操作系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

5.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)

嵌入式實時操作系統(tǒng)已取代簡單的控制回路，可用于解決要素感知層的實時性問題和多任務(wù)處理問題[11-12]。實時操作系統(tǒng)uC/OS-II內(nèi)核是一個開源的、嵌入式的、實時的、多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有可移植、可擴展和高速的特點，適用于實時多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)。將實時操作系統(tǒng)uC/OS-II移植到STM32-CortexM3系列微處理器上，可以創(chuàng)建多個任務(wù)、支持多任務(wù)處理，確保系統(tǒng)的多任務(wù)處理的協(xié)調(diào)性。操作系統(tǒng)的任務(wù)切換十分靈活，任務(wù)可剝奪、暫停，具有良好的實時性[13]。

5.2 遙測終端機

YAC2018遙測終端機集成了RS232接口、RS485接口、SDI12接口、IO接口、調(diào)試接口、LCD顯示和電源等部分。YAC2018遙測終端機具有豐富的外設(shè)接口，可以連接4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信模塊和北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端機。YAC2018遙測終端機見圖4。

5.3 功能模塊

系統(tǒng)具有水雨情要素感知功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、參數(shù)配置功能和遠程實時交互功能四大功能模塊。

（1） 水雨情要素感知功能。水雨情感知站點采用多線程編程技術(shù)，在規(guī)定的時間點自動感知到水位和雨量，并存儲在硬件Flash中，也可根據(jù)本地人工干預(yù)或遠程實時要求，進行即時感知水位和雨量，并返回即時數(shù)據(jù)信息。

（2） 數(shù)據(jù)傳輸功能。數(shù)據(jù)傳輸包括水雨情要素的定時自報和自動加報上傳。定時報按照預(yù)先設(shè)定的時間間隔，上傳該時間段內(nèi)的水雨情要素數(shù)據(jù)。自動加報為自報時間未到時，水雨情變幅達到設(shè)定閾值時自動上報要素數(shù)據(jù)。

（3） 參數(shù)配置功能。每個站點都有其特定的信息，如站點編號、主備信道選擇、水雨情要素傳感器類型或感知頻次等，可由用戶自行配置。YAC2018遙測終端機可通過LCD顯示屏或PC機在本地配置，也可遠程通過網(wǎng)絡(luò)通信進行配置。

（4） 遠程實時交互功能。遠程實時交互功能包括水雨情要素的即時召測、歷史數(shù)據(jù)批量傳輸和站節(jié)點運行參數(shù)讀取設(shè)置。交互過程即時響應(yīng)，數(shù)據(jù)回應(yīng)迅速，不影響站點的正常自動運行。

5.4 數(shù)據(jù)接收和服務(wù)

信息數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)實時接收水雨情要素信息進行數(shù)據(jù)存儲、入庫等處理。用戶在數(shù)據(jù)信息層進行水雨情感知站點參數(shù)的實時讀取和設(shè)置，對水雨情要素進行即時召測、對歷史數(shù)據(jù)進行批量獲取。提供水雨情要素數(shù)據(jù)圖形界面顯示，可修改庫存數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)分享和交互服務(wù)，可將數(shù)據(jù)推送到用戶的移動接收端。

信息數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)采用萬兆以太網(wǎng)技術(shù)，按功能區(qū)劃分為內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)使用以太網(wǎng)交換機作為核心交換機。外網(wǎng)使用配置核心匯聚路由器和防火墻，防火墻即為數(shù)據(jù)中心邊界，同時起到隔離作用。

基于網(wǎng)絡(luò)安全和老撾使用人員對數(shù)據(jù)安全的需要，信息數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)采用高性能防火墻策略，可提供安全接入、抗外來攻擊、實時檢測入侵、強力防御惡意病毒等保護，同時提供高性能VPN、帶寬管理等綜合安全保障。為進一步保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用內(nèi)外網(wǎng)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供雙保險。

6 系統(tǒng)實施和注意事項

目前老撾天空地一體水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)建成，一期已建成的站點正實時地向水文氣象司的數(shù)據(jù)信息中心上報水雨情要素信息。已建成的站點運行正常、穩(wěn)定、可靠。由于老撾地理環(huán)境等因素影響，4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)難以持續(xù)保持穩(wěn)定，當4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不到位時，北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)適時啟動上報數(shù)據(jù)，保以證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。

信息數(shù)據(jù)中心運行情況穩(wěn)定，數(shù)據(jù)收集完整度高，數(shù)據(jù)實時處理、展示情況良好。

遠程讀取水雨情要素數(shù)據(jù)、更改運行參數(shù)，系統(tǒng)及時響應(yīng)、正常運行;數(shù)據(jù)成果展示、形成過程曲線實時穩(wěn)定。站點現(xiàn)場見圖5。

為避免再次出現(xiàn)系統(tǒng)運行數(shù)年后，因疏于維護和管理導(dǎo)致站點設(shè)備損壞、通訊中斷、數(shù)據(jù)中斷等情況，需要在系統(tǒng)運行過程中加強檢查和管理，保障系統(tǒng)正常運行，使其長期穩(wěn)定發(fā)揮效益。運行維護方面需注意以下事項：① 定期對站點進行巡檢，檢查站點設(shè)備供電、通訊等，可參考中國做法，每年定期進行汛前檢查;② 每年對傳感器進行率定，及時修正測量中出現(xiàn)的誤差;③ 注意對站點周邊環(huán)境的保護，因自然災(zāi)害導(dǎo)致的損壞應(yīng)及時修復(fù)，若出現(xiàn)人為損壞應(yīng)及時制止;④ 注意信息數(shù)據(jù)中心是否出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或報警信息，一旦出現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)信息提示查找原因;⑤ 定期對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行升級，避免因安全漏洞出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等問題。

7 結(jié) 語

老撾數(shù)據(jù)中心項目采用老撾天空地一體化水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，項目中的設(shè)備全部采用中國自主研發(fā)的全套最新設(shè)備，利用以4G物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、中國北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的空天地一體化架構(gòu)，實現(xiàn)了信息自動采集傳輸和互聯(lián)互通。該項目的實施大大提升了老撾水文自動測報技術(shù)的建設(shè)水平，提高了水文水資源監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力和綜合服務(wù)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