太原理工物联网大三实训

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1、11.1.概述概述水是维系生命与健康的基本需求，地球虽然有 71%的面积为水所覆盖，但 是淡水资源却极其有限。在全部水资源中，97.47%是无法饮用的咸水。在余下 的 2.53%的淡水中，有 87%是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永冻地带的 冰雪。人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水 量的 0.26%，而且分布不均。因此，世界上有超过十四亿的儿童、妇女及男人 无法获取足量而且安全的水来维持他们的基本需求。在许多层面，水资源和健 康具有密不可分的关系。我们所做的每项决策事实上都和水、以及水对健康所 造成的影响有关。 我国是一个干旱缺水严重的国家。我国的淡水资源总量为

2、 28000 亿立方米， 占全球水资源的 6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，名列世界第四位。但是， 我国的人均水资源量只有 2300 立方米，仅为世界平均水平的 1/4，是全球人均 水资源最贫乏的国家之一。，水资源短缺、水污染形势严峻、水生态环境安全面 临严重威胁 3 个方面的主要问题已成为制约我国社会经济发展的重要因素。建 立覆盖全国的水资源远程监控管理系统，对水资源的开发、利用、节约、保护、 管理、配置实施实时动态监控管理，是解决我国水资源问题的重要手段。 我国的水资源计量设施的安装工作一直处于落后的状态，基础数据的缺乏 使得水资源管理工作一直处于粗放被动的情形，不能满足现阶段水资源管理的

3、 要求，安装水资源计量设施迫在眉睫。 水是关系人类生存和社会发展的基本物质，是一种有限的、不可替代的宝 贵资源，是实现经济社会可持续发展的重要保证。为了合理开发、利用、节约 和保护水资源，逐步提高水资源可持续利用水平，切实提高水资源管理科技手 段，全面掌握双城市用水情况，以便于科学、准确的进行水资源管理、调配和 预测，我们小组研制开发水资源远程监控管理系统，该系统通过在各地下水取 水井监测点安装水位、流量、等传感器结合物联网应用技术，实现对地下水取 水井监测点水位、流量监控。2.2.系统建设必要性系统建设必要性2.12.1 现状与问题现状与问题水是关系人类生存和社会发展的基本物质，是一种有限的

4、、不可替代的宝 贵资源，是实现经济社会可持续发展的重要保证。近年来,随着国民经济的迅速 发展,人们对水资源的需求越来越高,国家水利部分肩负的使命也越来越重。传 统的通过人工观察进行水资源监测的方法既费时费力,而且实时性和准确性都很 难保证。水是人类最为宝贵的资源,是生命维系的源泉.如果离开了水,世界 上 的生命都将不复存在,因而,其重要性是不言而喻的2水是人类生活赖以生存和生产不可缺少的自然资源，一个地区水资源的数 量和质量直接影响该地区社会经济的发展，虽然我们不能完全控制它，但我们 应合理的利用、调节并保护它。 长期以来，水资源的监测、控制、管理工作一直处于人工操作模式，工作 中不但投入大量

5、的人力、物力，而且监测到的数据受人为因素影响很大，也不 能及时、准确、有效地反馈水资源的实际动态，直接影响水资源的现代化管理， 影响到节水型社会建设。 地下水是重要的水资源,地下水位监测是一项重要的基础性的水利工作。目 前国内地下水位监测仪的研究还比较落后,仪器测试精度不高、远程数据传输模 块缺失或可靠性不高,不能满足现代化实时监测的需要。基于现代计算机技术与 通信技术,开发高性能地下水远程实时监测系统对于科学、高效的利用地下水资 源具有重要现实意义。 在我国随着数据釆集技术、传感技术、无线通信技术和计算机技术的迅速 发展,也促进了国内水资源调度监控技术自动化的发展,监控技术要适应新情况 新变

6、化,实现从传统水文向现代水文转变,从而为我国社会主义现代化建设服务。 在水资源调度监控过程中,常常需要对众多的水资源数据进行实时监测,大部分 监测数据需要实时发送到管理中心进行处理。传统的水资源信息(如水位、流量、 降雨量、泥沙含量等)的传输,多釆用有线或无线电台等方式进行。 目前，水资源监控管理系统仍存在很多问题，主要表现为： 一、供水系统监管水平低下 目前，大多数农村供水系统是否能够正常运转，主要依赖于村管水员专业 知识水平与素质的高低。水泵的不及时启停使得居民的用水得不到满足、设备 故障后无法第一时间掌握与维修等问题是现阶段面临的供水、用水难题。 二、水资源污染严重 城市中大部分饮用水安

7、全受到威胁。据统计，在 46 个重点城市中，仅有 28.3%的城市饮用水源地水质良好，26.1%的城市水质较好，45.6%的城市水质较 差。饮用水源地水质差不但增加了自来水处理成本，而且有一些难以处理的有 毒有害污染物将直接危及人体健康。农村饮用水安全更令人担忧，其卫生合格 率仅为 62.1%。水污染问题不仅是杏花岭区的一大难题，其已经成为国家水资 源领域内迫切需要解决的重要问题。 三、洪涝灾害严重 水资源分布不均，水旱灾害频繁，这是水资源开发利用的最大弱点，也是 经济发展的一个制约因素。水资源分布不匀，造成不少地方严重缺水，影响这 些地方的工农业生产和人民生话。而水资源时空分布的过分集中，造

8、成汛期大 量弃水，非汛期缺水，有限的水量不能充分利用。集中程度越高，弃水越多， 可用水量占水资源总量的比例越小，并使水旱灾害频繁发生。 四、信息孤岛严重，缺乏统一管理手段 相关水利部门在供水工程建设后，无法掌控工程后续使用、问题反馈情况。 无法为新工程的规划、设计提供经验参考。此外，各供水系统独立建设、管理 “自成体系” 、信息孤岛严重。无法从全局宏观角度进行供水、用水统一监管。32.22.2 系统建设意义系统建设意义水资源实时监控与管理系统是专门为水务部门开发的管理系统，适用于水务部门监控自备井取水、监测水厂进出水流量、监测明渠流量、监测地下水水 位、监测水源地水质以及进行水资源远程售水管理

9、等。系统为有效保护水资源、 合理利用水资源、加强社会节水意识发挥了重要作用。 通过对区域经济、社会、资源、环境现状调查，特别是对水利发展状况、 水资源开发利用状况、水环境状况的分析研究，诊断目前存在的主要问题及其 对经济社会发展和生态环境保护的影响。以乡镇为基础进一步细分水资源分区， 建立相应的基本资料数据库。 建设完善水资源实时监控系统，并运用遥感 （RS） 、网络 GIS、全球定位系统（GPS） 、虚拟仿真及信息集成技术，以 SPOT5 遥感数据、1：50000 DEM 及 GIS 基础空间数据为基础，建设数字流域平台。 以水资源 B 级区套乡镇级行政区为单元，按照严重不安全、不安全和基本

10、 安全 3 种安全类型，进行水资源安全评价，并做出相应的水资源安全风险评估 与预警，编制应急预案。在此基础上，依据区域未来经济社会发展目标，结合 节水型社会建设要求，设计水权制度与入河排污许可制度，拟定水量水质双总 量控制方案，建立水资源优化调度系统，拟订生态与环境保护战略，提出未来 水利建设总体布局方案和水资源动态管理模式。 系统功能包括 4 个主要层次，即监控中心、通信网络、应用系统、终端设 备、测量设备。 监控中心： 主要硬件：服务器、数据专线、路由器等。 主要软件：操作系统软件、数据库软件、水资源实时监控与管理系统软件、 防火墙软件等。 通信网络：中国移动公司 GPRS 无线网络。 终

11、端设备：水资源测控终端、微功耗测控终端（电池供电型） 。 测量设备：水表、流量计、水位计、雨量计、水质仪等。 水是人类生活赖以生存和生产不可缺少的自然资源，一个地区水资源的数 量和质量直接影响该地区社会经济的发展，虽然我们不能完全控制它，但我们 应合理的利用、调节并保护它。 长期以来，水资源的监测、控制、管理工作 一直处于人工操作模式，工作中不但投入大量的人力、物力，而且监测到的数 据受人为因素影响很大，也不能及时、准确、有效地反馈水资源的实际动态， 直接影响水资源的现代化管理，影响到节水型社会建设。安装远程监控系统后，可从监控中心直接监控取水单位，准确掌握水资源 的丰枯变化、水位动态变化，取

12、水量变化以及供水、用水信息；为水资源费的 足额征收提供更为准确的水量；为水资源的合理开发利用、科学保护提供可靠 真实数据；为统一管理、联合调度、优化配置水资源及解决水资源的供需矛盾 建设了一个平台和枢纽；加速水资源管理现代化进程，也为制定国民经济规划， 安排部署新型能源基地建设和节水型社会建设提供相关的科学依据。 43.3.系统设计系统设计3.1 水资源实时监控系统结构水资源实时监控系统结构本系统覆盖全国，采用 GPRS 无线网络进行数据传输，由 3 级构成，包括, 省（县）级监控分中心和大量的监测点，实时监控系统结构如图 1。图 1 水资源监控管理信息系统拓扑图 省（县）级监控分中心负责该辖

13、区各监测站点的实时监控与信息管理，设5置在水资办。包括建立通讯联系、站点呼叫、站点身份验证、指令发布、数据 接收、数据校验、数据存储，以及在线监测、掉线挂接等运行管理。 监测站点为系统的最原始点分为 2 类：（1）地下水位观测站点。 采用投入式液位传感器进行计量，及时掌握地下水的变化动态。（2）用水量监测站点。通过安装在用水输水管线关键点上的仪表对用水量进行不间断计量监测，准确、及时计量用水户的用水量。3.2 实时监控系统主要技术要求实时监控系统主要技术要求（1）对用水量、水位等指标的实时自动检测；自动定时记录（固态存储） ； 通讯自动保持在线，断线自动挂接；自动对呼叫应答，自动接收中心控制指

14、令； 自动完成数据检索与数据传送；自动时钟走时；自动上电复位；出错自动报警 和预警功能。图 2 测控终端原理示意图 （2）设备环境温度适应性。监测站设备工作环境温度为-20-40,相 对湿度 RH90，采取防盗防破坏措施。 （3）采样间隔。 水位、流量的采样间隔不大于 1h（可根据用户需要设定） ； 雨量，在雨季的采样间隔不大于 5min。各种传感器的精度：水量测量精度： 1%2%m；地下水位测量精度0.05%； 雨量监测精度：0.1mm； 排污量测 量精度4%。 （4）远程通讯仪采用 GPRS 无线通讯方式。 网络系统要确保安全、高效、 稳定运行，并具备备用电源供电。63.33.3 硬件设计

15、和软件配置硬件设计和软件配置3.3.13.3.1 主要设备主要设备 （1）服务器： 区（县）级服务器 CPU：P 4.0G 以上，双 CPU；内存 100G 以 上；硬盘，500G 以上；千兆网卡。 （2）电源设备： 山特 UPS。 （3）磁盘阵列： 每个控制器 2GB 缓存；每个控制器有 2 个 8GB Fibre Channel 端口；最大支持 100 个主机。 （4）机械远传水表、超声波流量计、电磁流量计：用于自备井用水量计量，满 足不同用户需求，测量精度5%-1%。 （5）水位压力传感器：用于测量地下水位，选用进口的（德鲁克水位压力传感 器）测量精度0.1%。 （7）数据远程监测仪：用

16、于水资源的监测并通过 GPRS 数传模块进行数据传输。3.3.23.3.2 软件环境软件环境（1）实现水位的显示、预警，水流量的监控，水泵的控制和水位水流量趋势图功能。如图 4 所示。图 4 （2）网络操作系统选用 Windows Server2010 中文版 。 客户端 操 作 系 统 选 用 Windows10 等版本。 （3）数据库建议采用 SQL Server2008。 （4） 网络安全主要包括安全防护工具 （防火墙 、防病毒 、加密系统等） 和检测手段（身份认证、入侵检测、漏洞扫描等系统） 。 （5）选用 Microsoft 公司的 system Management Server 和 Cisco Works2000 进行网络管理。配备数据备份软件使数据备份到存储设备。74.4.建设效果展望建设效果展望我国水资源监控管理系统建成后，水利部门的工作人员通过互联网或移动 APP 登录指定网站，即可远程监控泵房的整体运行状况，如监测水位、水量等 数据，远程控制水泵启停、闸阀开闭等。 系统自动对采集到的数据存储