摘 要

运用传感与通信等技术实现对水域内降水量、水位等数据的实时采集、传输和处理的信息系统被称为水雨情遥测系统。水雨情遥测系统在自然、人工水域内使用能够有效降低灾害发生概率，保护居民的人身与财产安全。

本文将系统分为三部分即水雨情自动测报站、通信组网和通信平台进行详细分析，对水雨情自动测报站的水位、雨量传感器以及北斗卫星通信终端等设备作了选型与系统搭建，设计适合本系统的三信道组网方案，搭建出基于北斗卫星与物联网的水雨情遥测系统，最后对可能出现的故障进行分析并提出解决方案。

系统设计完成要求，在水雨情信息的稳定采集、处理与传输中发挥着积极作用。

关键字：水雨情遥测系统；GPRS；北斗卫星通信；物联网

Abstract

The information system that uses sensors and communication technologies to realize real-time collection, transmission and processing of precipitation and water levels in waters is called a water and rain telemetry system. The use of water and rain telemetry systems in natural and artificial waters can effectively reduce the probability of disasters and protect the personal and property safety of residents.

This paper divides the system into three parts, namely water and rain automatic measuring and reporting station, communication network and communication platform for detailed analysis, and selects and builds the water level, rainfall sensor and Beidou satellite communication terminal of the water and rain automatic measuring station. The three-channel networking scheme suitable for the system is designed to build a water and rain telemetry system based on Beidou satellite and the Internet of Things. Finally, the possible faults are analyzed and solutions are proposed.

The system design completion requirements play an active role in the stable collection, processing and transmission of water and rain information.

Key words: Water and rain telemetry system; GPRS; Beidou satellite communication; Internet of Things

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 水雨情遥测系统国内现状 2

1.2.2 水雨情遥测系统国外研究现状 2

1.3 主要研究内容 3

1.4 论文组织结构 3

第2章 系统需求分析 5

2.1 水雨情遥测系统基础理论 5

2.1.1 水雨情遥测系统结构组成 5

2.1.2 水雨情遥测系统通信标准 5

2.2 水雨情遥测系统需求分析 6

2.3水雨情遥测系统通信方式分析 6

2.3.1 GPRS通信 7

2.3.2 窄带物联网通信 7

2.3.3 卫星通信 7

2.4本章小结 8

第3章 水雨情遥测系统总体设计 9

3.1水雨情遥测系统总体设计 9

3.2 水雨情自动测报站设计 10

3.2.1 遥测终端机的设计 11

3.2.2 雨量传感器 12

3.2.3 水位传感器 13

3.3 三信道组网设计 14

3.3.1 GPRS通信终端选择 14

3.3.2北斗卫星通信终端选择 15

3.3.3窄带物联网通信终端选择 15

3.3.4 三信道网络组网方案设计 16

3.4通信平台设计 17

3.5本章小结 17

第4章 水雨情遥测系统的实现 19

4.1 遥测终端的功能与硬件实现 19

4.1.1 微处理器 19

4.1.2 键盘输入电路 21

4.1.3显示接入电路 22

4.1.4 数据存储 22

4.1.5通信接口 22

4.1.6 雨量传感器接口 23

4.1.7 水位传感器接口 24

4.2北斗卫星、GPRS与NB-IoT三信道通信组网的实现 25

4.3故障分析 27

4.3.1 故障排查思路 27

4.3.2 自然故障 28

4.3.3 数据故障 28

4.4 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

通过运用传感、通信、数据处理和计算机等技术实现对江河湖泊等自然水域和景观河流、运河等人工水域的降雨量、实时流量、水位以及闸门开度等数据的实时采集、传输、处理与存储的信息系统被称为水雨情遥测系统。本章主要分析了基于北斗卫星与物联网的水雨情遥测系统的背景及意义，介绍当今国内外水雨情遥测系统的发展状况，重点解释本文的研究内容以及各章节内容的安排。

1.1 课题背景与意义

在自然灾害中，有很多让人闻之色变的破坏力巨大的灾害，如地震、台风等。除此之外，还存在一种由恶劣天气或者堤坝溃决引起的灾害，即洪涝灾害。洪涝灾害，包括洪水灾害和雨涝灾害两类。其中，洪水是因为短时间内的持续性强降雨、冰雪融化或者突发的巨大型堤坝溃决、风暴潮等原因引起江河湖泊以及沿海地区海水量骤升、水位上涨而满溢或者山洪暴发所造成的破坏力巨大的灾害；雨涝是因为持续性大、暴雨或者长期的集中降雨且排水不及时造成的大量积水与径流，导致良田、山洼与房屋受淹而造成的灾害。洪涝灾害的发作不仅会造成环境源污染的问题，还会对人们的财产安全与人身安全造成威胁。比如我们生活的武汉，几乎每年都会因为强降雨而导致汤逊湖、南湖周边严重内涝，以2016年为例，武汉市于六月三十日开始持续一周的连续强降雨，南湖地区、汤逊湖地区的周降雨量一度达到565.7～719.1mm，突破了市内周降雨量的最高值。南湖、汤逊湖等室内湖区及周边地区因湖水满溢，周边渍水区域呈面状分布，虽经全力抢排和向牛山湖及海口子汇水区紧急分流，大部分区域渍水仍在12日才消退，北港教师小区等6个地势显著低洼的小区渍水在15日以后才陆续消退^[[1]]。尽管是因为当时多种不利因素综合叠加导致如此严重远超预期的内涝，在后续提出的应对内涝方案上也增加了如何应对超长历时降雨的设计和校核，若是能同时增加水雨情遥测系统的应用，在水量突增时就着力调度并向居民提出预警，必能减少损失降低危害。

为防范洪涝灾害的发生，便须要实时准确的水雨情信息为正确的部署防灾与救灾工作提供可靠依据，也对合理调度配备安置防灾救灾资源起积极作用。水雨情遥测系统是通过使用现代科技对实时检测的水雨情信息进行传输和处理，综合了水文、电信、电子、传感器等多个学科的最新技术，能实时、准确地完成对水雨情相关信息的采集、处理及信息共享等任务的综合型服务系统。该系统改善了从前仅靠检测人员手动测量、书面传输水雨情数据的延迟状况，且大大拓宽了水雨情检测的适用范围，大大提高了水雨情测报效率和洪涝灾害预报精准度，现在不仅适用于远程监测景观河道，更能随时监测自然河流与人工运河等较偏远地区的实时水雨情状况。水雨情遥测系统在及时预警洪涝灾害、减少人员伤亡和降低经济损失方面都发挥着重要作用。

1.2 国内外研究现状

在本系统中，水雨情信息的传递通道主要由我国自主研发的北斗卫星与广泛使用的物联网构成。主要分为两种使用环境——安全环境与恶劣环境。在安全环境，即GPRS正常工作时，使用一通道即GPRS通道；在恶劣环境，如地震或其他情况导致GPRS无法使用时，切换二通道甚至三通道，即NB-IoT传输通道或北斗卫星传输通道，保证水雨情信息的正常传输。将北斗卫星导航与物联网技术联合起来应用于水雨情遥测系统中，可设计出功能多、功耗低且适用于恶劣环境的远程遥控设备，在保护人民生命、财产安全方面做出巨大贡献。

1.2.1 水雨情遥测系统国内现状

在水雨情检测方面，国内外均已有较为成熟的体系。

早在公元前二十一世纪，我国就出现了最早的水文监测活动，随着时代的发展，检测技术也在各个环境各个时代的使用中被改善提高。在水雨情遥测技术研究出之前，各水域的水雨情的数据资料都是在人工采集整理后，再由水文站工作人员通过电报或电话送出。这种全靠人操作的工作模式下，测报站的数量和选址都非常受自然环境的限制，从而也难以满足时效性的需求，报讯质较低。我国在七十年代中期开始研发制造水雨情遥测系统，由于时代影响，被日本的应答式产品影响较大，在产品中均有体现。初期制成的产品在国内一些水库实地投入使用。二十世纪九十年代末期，防洪调度部门为了更高效准确地获得实时水雨情数据，水雨情遥测系统开始逐渐被推广到全国各地使用，国内开始大规模兴建水雨情遥测系统，使得许多新的技术得到推广应用，并在实际应用中被不断改善提升。经过二十余年的技术提升，现今国内的水雨情遥测系统一般采用数据自报式的工作体系，在信息传输方式上大多使用无线超短波、有线、GSM、GPRS、短波、卫星等等单一途径，极少数选择这些传输方式的组合。单一途径在平时安全平和的环境内是完全足够的，但较恶劣情况下——地震、山洪等突发灾害后，单一通讯制式下系统极易出现信息传输中断，该系统信息传递中断导致无法提前预警，导致防范及救灾措施极其被动而无法以减少财产损失与人员伤亡。因此，在本系统中，期望通过多种通信方式的组合使用以建立稳定有效的水雨情遥测系统。

1.2.2 水雨情遥测系统国外研究现状

国际上其他国家在研究制造使用水雨情遥测系统上的历史也仅有四十余年，其中以日本、美国、加拿大、英国与意大利等国的水雨情遥测系统较为先进。在实际使用中，因规模大著称于世的是美国哥伦比亚河业务水文气象管理系统(CROHMS)。在流域的六十七万平方千米面积范围内建有八十余座水电站。二十世纪五十年代开始至八十年代初，由人工、无线电、电传、通信卫星与流星余迹相结合的作为信道的水文遥测系统被基本建成。该水文气象管理系统是由九个联邦政府机构联合协作组建以完成实时作业的警报预报遥测系统，共包含四百多个遥测站和百余个中继站。美国常发生骤发性洪水，故分散建立的小规模水雨情遥测系统很多，并且这些系统已经在逐步联网，将遥测系统发展得更大规模。

随着微电子技术、空间技术、计算机技术以及其他新兴技术的广泛应用，水雨情遥测系统目前的发展发向有了更高的目标，正在向着测报全自动、测站测点多、测量参数多、传输通道多、工作功耗低、测量精度高、系统工作年限长等方向发展，其中的多通道又以卫星通信为主要研究对象，多功能指通过联网与其他系统联合工作扩大业务范围。二十世纪八十年代初，经过规划与研制后的试点，美国地质调查局研究制作的水文站网与收集、存储、检索系统，被投入到自适应水文资料采集系统中使用，展现了这一发展的可实施性与优越性。

1.3 主要研究内容

为了增强防汛抗涝指挥决策的时效性和科学性以提高水务管理工作的现代化水平，本系统设计的水雨情遥测系统在其他水雨情遥测系统常用的单通道通信基础上，构建一套以GPRS为主通讯信道，北斗卫星通信与窄带物联网为后备通讯信道的新型水雨情遥测系统，加强通信稳定程度，保障水雨情信息的实时更新。

本系统主要研究内容为以GPRS为主通信信道，北斗卫星通信与窄带物联网为后备通信信道的新型水雨情遥测系统的总体架构设计以及硬件连接。完成一个可以正常使用的信息传输系统，包括各个模块与接口的设计与软件设计，包括如监测站监测模块及其接口设计、北斗卫星通信模块及其接口设计、窄带物联网通信模块及其接口设计、GPRS通信模块及其接口设计，以及水雨情预警系统的软件部分与窄带物联网和北斗卫星通信模块与GPRS通信模块的切换模式的分析与软件部分设计。

1.4 论文组织结构

本文由以下几个部分组成。

第一章绪论，介绍本文课题的研究背景和研究意义，主要包括当下水雨情遥测系统的国内外研究进度及本论文将要设计的主要内容。

第二章需求分析，简单介绍水雨情遥测系统基础理论、水文遥测系统各部分结构构成，国家标准与相关行业规范等。通过学习研究水雨情遥测系统的工作任务，总结出系统的功能需求。

第三章水雨情遥测系统设计，系统各部分分析，包括各部件选型，阐述系统的主要模块设计及实现流程设计。

第四章水雨情遥测系统实现，遥测终端的构成系统硬件和软件的接口设计，并对可能出现的故障进行故障分析与解决。

第五章总结与展望，总结系统的设计结果，探讨设计的不足及对水雨情系统未来的发展期望。

第2章 系统需求分析

2.1 水雨情遥测系统基础理论

2.1.1 水雨情遥测系统结构组成

水雨情遥测系统的组成因各个系统安装的环境不同与具体任务要求的不同而不同，但从结构总体上来看，一个水雨情遥测系统通常由遥测站、信道与中心站即通信平台三部分构成。

其中遥测站实现被测参数的数据采集、存贮和传输控制。遥测站在结构上的构成为前端传感器、遥测终端机以及供电系统三者^[[2]]。

前端传感器的任务是测量系统要求的降雨量与水位等参数的原始数据，此数据由最前端的传感器进行，将测得的数据在传感器模块内转换成遥测终端机能够识别的电信号传输给遥测终端机。遥测终端机是遥测站的核心设备，测量数据传输至此由遥测终端机完成数据的编码解码与存储记录等工作。由于遥测站点一般都安装在且野外无人值守的地方，供电系统的选择必须考虑到系统的工作环境，根据站点安装环境的不同，再因地制宜地选择遥测站的供电模式。目前遥测站大都采用太阳能供电模式。

信道使用直接或者再生方式发送中心站的指令和来自遥测站的数据信号^[[3]]；根据系统测站安装地点的不同环境来选择适当的通信方式。当前比较常用的通信方式有GSM/GPRS、有线通信、超短波、网络通信与卫星通信等^[3]。

中心站接收遥测站和信道发出的数据信号，将其转换处理为在水文系统中有意义的测量参数值后储存入库，是整个系统的运行中枢。传输控制、差错控制、数据处理、数据分发等是中心站必须具备的功能。

2.1.2 水雨情遥测系统通信标准

水雨情自动测报系统的主要通信是遥测站与中心站二者间的数据传输，其他通信包括与上级部门、调度机构以及与其他相关水利枢纽之间的数据传输。通信电路设计的成功与否在系统成败与效率的高低中起到非常关键的作用。根据《水文自动测报设计系统设计手册》得到水雨情遥测系统中信道的通信设计标准为：

1.水雨情测报系统的通信系统应满足传输数据安全、迅速且可靠的要求,保证在99%的时间内数据传输的误码率不大于0.01%。

2.测报系统中的通信设备应选用结合了最新技术并且经济实用的合格产品。

3.根据测报系统的功能要求和通信方式的特点，选择合适的工作体制。

4.采用无线通信方式时，通信频率应遵守无线电管理委员会的规定。

5.通信方式的选择应切合实际，在经济合理条件下满足技术先进的需求。应依据系统对通信的要求、系统安装地区的地形地势、通信设备的特性、当地工作人员的运行维护能力与建设运行预算等综合因素分析确定。测报系统的通信方式可以是短波、超短波、有线或者卫星等方式中的一种，也可以是多种通信方式的混合组网方案。

在实际操作中，还应当考虑以下原则：

1.为方便中继站的继续建设发展与管理，中继站应当尽量设置在交通方便且易于人员看管的地方。

2.尽量考虑防汛抗涝工作的长期建设需求，通信组网尽量满足系统易于今后扩充的要求，使得整个系统建设达到最优。

3.建设的水雨情遥测系统应当便于建设、维护与检修。

2.2 水雨情遥测系统需求分析

本文研究的水雨情遥测系统主要是针对人力难以时刻监控的区域，自动进行，因此在功能上有以下需求：系统需要全天二十四小时不间断无故障运行，若由于不可抗因素，比如台风地震等导致系统通讯故障，应立刻切换通信渠道，恢复通信。测量精准，数据传输快速稳定。因此，系统应具有下列功能：

1.遥测站将传感器自动采集的数据按设定策略自报传输。自报式是指遥测站通过编码器将测量数据按预先设定的编码方式在固定时间主动向中继站发送，或是按照其他事先规定的参数变化，如水位上升一毫米等时主动发送测得参数，又叫做主动式。优点是设备简单、功耗小、费用省、可靠性高等，但遇到故障停报时，遥测站将与中继站失去联系，因此，备用信道的存在非常重要。

2.多个信道与通信接口保障数据的传输

3.遥测站端传感器测量精准，自动发送至中继站，数据传输快速稳定，太阳能供电与避雷，保障系统全天无故障地运行。

在物理上，整个遥测系统分为遥测站、中继站和中心站三个部分；在逻辑上，水雨情遥测系统由采集层、控制层、传输层和处理层构成。其他硬件设备上，包含遥测终端机、GSM/GPRS通讯模块、遥测水位计、遥测雨量计等测量计、全向天线、避雷器等，在本系统中还需物联网通讯模块以及北斗卫星通讯模块。

2.3水雨情遥测系统通信方式分析

在本系统设计中，主要涉及北斗卫星导航系统、窄带物联网（NB-IoT）与GPRS技术。

2.3.1 GPRS通信

通用分组无线服务技术，英文简称为GPRS（General Packet Radio Service），可以看作是GSM的延续，其采用了与GSM相同的无线调制标准、突发结构、频带与调频规则等。GPRS依靠中国移动原建的GSM移动网络，属于第二代移动通信中的数据传输技术，是所有GSM移动电话用户可以使用的一种移动数据业务^[[4]]。GPRS通过基站传递信息，局限性比物联网高；但是系统建设成本低，其数据的传输与传输质量全由网络运营商负责，使用时仅需要购买一个GPRS通信终端模块即可，不需要额外花时间与金钱去建设与维护公网平台，对于用户以分组方式提供接入网络的能力，能够高效利用信道资源，非常适合应用于突发业务。

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