林育斌

(深圳市金河建設集團有限公司，廣東 深圳 518049)

0 引 言

作為龐大而精密的運作項目，水利工程在實際運行過程中需要充分的數(shù)據(jù)支持，以發(fā)揮其最大作用；因此，對水利工程的持續(xù)監(jiān)測是必要的。通過監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)可以用于對運行過程的控制[1]。在水利工程的監(jiān)控過程中，需要根據(jù)當?shù)氐乃沫h(huán)境進行不斷調節(jié)，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括水位、水質等參數(shù)；在實際監(jiān)控過程中，水利工程的水文信息基本上都處于變動之中，只有通過遠程監(jiān)控才能生成直觀的數(shù)據(jù)參數(shù)，從而可以更加直接地進行處理[2]。

文獻[3]提出基于BIM技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的部分硬件進行優(yōu)化后，構建BIM模型，結合神經(jīng)網(wǎng)絡算法完成施工過程的實時監(jiān)控。文獻[4]提出基于云服務平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過4個結構層次來實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，集成了物聯(lián)網(wǎng)、云通信等技術，實時傳輸遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)。文獻[5]提出基于多線程的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多線程技術編寫了三種通信協(xié)議線程，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互傳輸。本文在這些研究之上，進行水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究。

1 系統(tǒng)設計

本文以雙界河水環(huán)境改善工程為研究對象，該水利工程是廣東省深圳市寶安區(qū)與南山區(qū)的區(qū)界河。工程整治范圍為雙界河河段，長度大約為2.26 km，主要內容包括防洪排澇與水質提升等，主要通過阻水構筑物等措施對河道進行整治，對河道的水質進行改善，讓河道的主要水質指標達到觀賞性綠化環(huán)境用水標準。

1.1 硬件設計

為了達到在監(jiān)控過程中連接多種類型的設備，設計了如圖1所示的硬件體系結構。

圖1 硬件體系結構

主控模塊的芯片采用STM32F103ZET6，具有512 KB ROM和64 KB RAM，同時配備了1個USB接口和1個CAN接口。在微控制器模塊中，采用CAN總線接口進行信息采集，并使用ARM7微控制器LPC系列單片機對數(shù)據(jù)進行采集處理。定位模塊采用LEADTEK公司的GPS9805，通過信號接收機將信息按照固定格式發(fā)送給微控制器[6]。無線通信模塊采用SIM_COM公司的SIM300C實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并使用FD810通信進行語音通信。數(shù)據(jù)采集模塊采用控制器與數(shù)字量采集相結合，對數(shù)據(jù)進行采集。現(xiàn)場的工控機主要采用GE公司的90_30型號的PIE設備，其余硬件部分與常規(guī)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)相一致[7]。

1.2 基于移動網(wǎng)絡的軟件設計

為了達到對水利工程的有效實時監(jiān)控，需對水利工程的參數(shù)進行采集。

(1)確定采集目標和參數(shù)：在進行水利工程參數(shù)采集之前，需要明確采集目標和所需采集的參數(shù)。常見的水利工程參數(shù)包括水位、流量、水質、水溫等。

(2)選擇采集工具和設備：根據(jù)采集目標和參數(shù)的不同，可以選擇不同的采集工具和設備。常見的采集工具和設備包括水位計、流量計、水質分析儀、溫度計等。

(3)安裝和調試采集設備：在進行參數(shù)采集之前，需要安裝和調試采集設備。在安裝和調試過程中，需要注意設備的正確使用方法以及保養(yǎng)維護。

(4)進行采集操作：在設備安裝和調試完成后，可以進行參數(shù)采集操作。采集操作需要按照設備的使用說明進行操作，并注意采集數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

(5)數(shù)據(jù)處理和分析：采集到的數(shù)據(jù)需要進行處理和分析，以獲取有用的信息和結論。數(shù)據(jù)的處理和分析可以采用各種數(shù)據(jù)處理軟件和方法，如Excel、SPSS等。

(6)結果報告和應用：在數(shù)據(jù)處理和分析完成后，可以將結果報告并應用于實際工程中。結果報告需要根據(jù)實際需求和要求進行編寫和整理，應用需要根據(jù)實際情況進行調整和優(yōu)化。

人活著，并不會一切順利如意，但如果我們都有小草那種頑強拼搏，無私奉獻的精神，那我們的祖國必將充滿無限的生機與活力。

使用Linux內核進行配置的流程如下：首先進入內核文件，在Device Drivers界面中選擇Multimedia support，然后進入V4L USB devices界面進行配置[8_9]；在GSPCA based webcams中進行配置并保存。同時，應用ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議層的架構，將各個層定義的協(xié)議進行集合。協(xié)議層主要包括網(wǎng)絡層和應用層。根據(jù)協(xié)議層，在射頻收發(fā)機的端口對數(shù)據(jù)進行采集，從而形成水利工程采集數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 水利工程監(jiān)控數(shù)據(jù)通信傳輸

提取采集的水利工程數(shù)據(jù)庫后，使用移動網(wǎng)絡搭建數(shù)據(jù)通信結構。通過MQTT協(xié)議與服務器進行通信，并設置傳輸參數(shù)的交換[10]。通過STM32串口發(fā)送AT指令，并設置數(shù)據(jù)傳輸消息幀格式；收發(fā)數(shù)據(jù)的消息幀格式如表1所示。

表1 傳輸消息幀格式

在此基礎上，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進行設計，設定的通信格式為：幀頭+數(shù)據(jù)類型+有效數(shù)據(jù)+幀尾，設計的數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)特性格式表

其中，發(fā)送給服務器的指令主要有以下幾種類型：周期性采集、設置控制模式與遠程控制，各個符號含義如表3所示。

表3 指令符號含義

周期性采集的參數(shù)指令為：WB 03 01 02 03 04 WB，更改模式指令為：PB 03 01 02 03 04 PB，遠程控制的指令為：EB 03 01 02 03 04 EB。使用該指令進行數(shù)據(jù)之間的通信，通過指令連接到中轉服務器，之后自動連接到監(jiān)控端；在經(jīng)過中轉服務器時自動進行發(fā)送，形成水利工程監(jiān)控數(shù)據(jù)通信結構。

1.2.3 遠程監(jiān)控終端顯示

根據(jù)通信模塊的通信數(shù)據(jù)，設計遠程監(jiān)控終端顯示模塊。將監(jiān)控參數(shù)上傳至監(jiān)控終端，并顯示設備的連接狀態(tài)，同時設定與執(zhí)行器設備綁定的標識符情況。為了減少系統(tǒng)上傳過程中出現(xiàn)的延時，通過AT指令連接到中轉服務器，并自動連接到移動終端。還設置了發(fā)送指令，包括獲取參數(shù)指令、控制指令等。采用ISO復用Select模型，在多客戶端連接下，使用多線程技術解決客戶端同時響應的問題，同時也方便讀取執(zhí)行數(shù)據(jù)。通過協(xié)調器的數(shù)據(jù)收集，將應答模式設置到應用層，數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點按照應答后判定成功發(fā)送數(shù)據(jù)，最終結果將在終端上顯示。

2 系統(tǒng)測試與分析

為了測試設計系統(tǒng)的性能，進行了相關實驗。

2.1 系統(tǒng)搭建

根據(jù)水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構，搭建測試平臺的硬件，使用傳感器進行數(shù)據(jù)的采集。搭建好硬件后，進行初始化連接，獲取水利工程的相關參數(shù)，搭建監(jiān)控端，其中設備和參數(shù)信息如表4所示。

表4 設備和參數(shù)信息

將設備進行搭建，得到遠程監(jiān)控系統(tǒng)的測試頁面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的測試頁面

為了對所設計系統(tǒng)的性能進行充分驗證，以響應時間與監(jiān)測精度為指標，將所設計系統(tǒng)與文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)進行對比驗證。

2.2 實驗結果與分析

水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)的響應時間是指從接收到請求或事件發(fā)生的時刻開始，到系統(tǒng)做出響應的時刻結束所經(jīng)過的時間；簡而言之，它是系統(tǒng)對外界請求或事件做出響應的速度。對于水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)而言，響應時間的概念非常重要，因為它直接影響著系統(tǒng)的實時性和效能。較短的響應時間意味著系統(tǒng)能夠快速地對請求或事件做出響應，及時采取相應的措施或提供相關的數(shù)據(jù)；而較長的響應時間則可能導致延遲和信息滯后，從而影響系統(tǒng)的運行效果和決策的準確性。

不同系統(tǒng)的響應時間結果如表5所示。

通過對表5中數(shù)據(jù)的分析，可以突出所設計系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，所設計系統(tǒng)在每個測試次數(shù)下的響應時間都明顯低于文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)的響應時間。例如，在測試次數(shù)為200、300、400和500次時，所設計系統(tǒng)的響應時間分別為3.57、3.43、3.25和3.55 s，而文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)的響應時間分別為7.78、7.46、7.50和7.55 s。這表明所設計系統(tǒng)能夠更快地對請求或事件做出響應。另外，其他測試次數(shù)下的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相似的趨勢。所設計系統(tǒng)的響應時間都遠遠低于文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)的響應時間。這表明所設計系統(tǒng)在水利工程遠程監(jiān)控領域具有明顯的優(yōu)勢，能夠更快速地對水利工程的請求和事件做出響應，提高系統(tǒng)的運行效率和決策的準確性。

水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度是指系統(tǒng)監(jiān)測和測量數(shù)據(jù)與實際值之間的誤差或偏差程度，簡而言之，它表示系統(tǒng)測量結果的準確性和可靠性。在水利工程中，監(jiān)測精度是非常重要的，因為它直接影響著決策和對水資源管理的正確性。較高的監(jiān)測精度意味著系統(tǒng)能夠準確地獲取和反映水利工程相關參數(shù)的實際情況。

不同系統(tǒng)的監(jiān)控精度結果如表6所示。

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，所設計系統(tǒng)在每個測試次數(shù)下的監(jiān)測精度明顯高于其他系統(tǒng)。例如，測試次數(shù)為200時，所設計系統(tǒng)的監(jiān)測精度達到96.36%，明顯高于文獻[3]系統(tǒng)的75.32%和文獻[4]系統(tǒng)的66.85%。類似地，在所有測試次數(shù)中，所設計系統(tǒng)的監(jiān)測精度均遠高于其他系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)表明，所設計系統(tǒng)能夠更準確地監(jiān)測水利工程相關參數(shù)，并提供更可靠的數(shù)據(jù)。這種較高的監(jiān)測精度對于水資源管理和決策制定具有重要意義。

所設計系統(tǒng)以Zigbee無線網(wǎng)絡協(xié)議層為基礎，在射頻收發(fā)機的端口，對數(shù)據(jù)進行了采集，并使用了移動網(wǎng)絡；通過MQTT協(xié)議，在數(shù)據(jù)庫之間搭建了快讀通信結構，縮短了數(shù)據(jù)之間的通信速度。

3 結 語

為了對水利工程的施工過程進行有效監(jiān)控，提出基于移動網(wǎng)絡的水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)。從理論與實驗兩方面對系統(tǒng)的性能進行了驗證，該系統(tǒng)在進行水利工程遠程監(jiān)控時，具有較短的響應時間與較高的檢測精度。但是在此次研究中，對于移動網(wǎng)絡在水利工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性方面的研究還不足。盡管移動網(wǎng)絡具有靈活性和便捷性的優(yōu)勢，但其在復雜環(huán)境下的可靠性問題仍然存在挑戰(zhàn)。由于水利工程多處在偏遠地區(qū)或惡劣的氣候條件下，如何確保移動網(wǎng)絡的穩(wěn)定連接以及保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匀孕柽M一步探索。