一种水库下游分布式水位监测预警系统和方法与流程

本发明涉及水位监测领域，具体涉及一种水库下游分布式水位监测预警系统和方法。

背景技术：

水电站起到了显著的发电、防洪、供水等综合效益，但由于一些水电站水库管理制度不健全，水库调度与防汛措施不科学、预警设施不完善，水电站水库安全运行过程中仍然存在重大的安全隐患。特别是一些偏远地区的水电站或者一些小型电站普遍存在非汛期放水不预警、汛期防水预警不及时、下游河道险情预警采用传统广播等现象。

由于预警信息发布不及时或者预警方式不智能，下游区域群众生命财产遭受到巨大威胁。水利管理部门尽管采取多种渠道发布预警信息，但由于设施不完善、预警方式单一、智能化程度不高等原因，仍然出现了多起上游开闸放水造成下游群众被围困、人员溺水等事件。

现有技术中很多水库下游河道水位监测所采用的一个监测装置就是一个孤立监测点，如图1所示为现有技术中一种河道水位监测装置的结构示意图，如图2所示为现有技术中星型网络结构组建水位采集系统的结构框图，由图1和图2可知，图1中该水位监测装置包括：传感器、数据处理模块、电源模块、gprs通信模块和上位机等部分组成，其中传感器普遍采用的有超声波传感器、液压式传感器、红外传感器、激光传感器和浮标式传感器等。该水位监测装置进行水位监测的过程中数据是从采集点的传感器到上位机单向通信的。图2给出的实施例中，系统所有终端节点均与协调器直接通信，星型网络通信范围是以协调器为中心最大通信距离为半径的圆，这种拓扑结构通信距离十分有限，并不适用于线型结构的河道。综上现有技术可能存在以下问题：

1、水位监测点数量少，分布安装极易受到野外条件的限制，不能做到按需多点采集，硬件结构不易扩展；

2、报警点数量不足，分布极易受到野外安装条件的限制，存在报警盲区，且报警方式依赖人工，智能化程度低；

3、水库下游河道水位监测点和报警点工作状态不能精确的进行监控，安装和组网方式单一不能灵活扩展，不能适应多变复杂的河道地理环境，系统的运行维护存在难度。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种水库下游分布式水位监测预警系统和方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水库下游分布式水位监测预警系统，所述系统包括汇聚网关1、预警节点2和远程监控中心服务器管理系统3，所述汇聚网关1和所述预警节点均分别包括无线多跳网络信号收发芯片22，所述汇聚网关1和所述预警节点2基于无线多跳网络通信；

所述预警节点2设置于水库下游各个水位监测点，还包括传感器21，所述传感器21采集各个所述监测点的水位信息发送给无线多跳网络信号收发芯片22，所述无线多跳网络信号收发芯片22将所述水位信息发送给下一跳所述预警节点2或者所述汇聚网关1；

所述汇聚网关1将各个所述预警节点2采集的各个所述监测点的水位信息通过移动网络发送给远程监控中心服务器管理系统3。

一种水库下游分布式水位监测预警方法，所述方法基于本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统，根据各个所述预警节点2的水位上涨速度判断水头是否到达该预警节点2：

时，判定所述水头已经到达i号所述预警节点2；

hi为i号节点测得的水位，mi为i号节点水位上涨速度的门限值，δhi为i号节点测得的水位变化量，δt为时间变化量。

本发明的有益效果是：考虑水库下游河道的地理环境复杂，有些地方陡峭多弯，有些河段偏僻移动互联网信号微弱，有些地方有山体易阻挡无线信号传输，河床的宽度和坡度多变，为准确的采集水位带来了很多困难，采用适用于河道地理结构传输特点的线型多跳网络模型搭建无线多跳网络，实现便于扩展、易于灵活组网的多点采集方式，能够根据地理环境完成无线传感器网络灵活组网及工程安装，按需进行多点水位等信息的采集。各个预警节点基于无线多跳网络通信，使得预警节点和汇聚网关可以通过增减模块来完成切换，便于实现分布式多点采集与报警。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述预警节点2还包括与所述无线多跳网络信号收发芯片连接的报警模块23；

所述报警模块23包括控制电路、led爆闪灯和喇叭，所述控制电路根据所述无线多跳网络信号收发芯片22接收到的水位信息生成报警指令，控制所述led爆闪灯是否闪烁以及所述喇叭是否发出警报。

进一步的，所述汇聚网关1和预警节点2均分别包括与所述无线多跳网络信号收发芯片22连接的信号处理模块25；

所述信号处理模块25将无线多跳网络信号收发芯片22发送过来的数据通过移动网络发送至所述远程监控中心服务器管理系统3，将来自所述远程监控中心服务器管理系统3的数据以及指令发给所述无线多跳网络信号收发芯片22。

进一步的，所述汇聚网关1和所述预警节点2之间的连接网络为分网段链式线型多跳网络结构；

所述系统包括至少两个网段；

所述网段包括汇聚网关1和设置于所述汇聚网关1两侧的至少两个的所述预警节点2，所述汇聚网关1和各个所述预警节点2采用链式线型连接。

进一步的，一个所述网段内各个所述预警节点2由远及近将采集的各个所述监测点的水位信息发送给所述汇聚网关1。

进一步的，所述汇聚网关1和所述预警节点2存储相邻一跳的邻居列表的节点地址，所述节点地址包括网段位置、节点地址和节点类型标志；

所述网段位置和所述节点地址表示所述监测点的位置，每个所述网段的汇聚网关1和所述预警节点2按照河水上游至下游的方向依次进行地址编码；

所述节点类型标志位表示节点是否具有数据采集功能、采集水位功能、报警功能以及所述节点为汇聚网关1或预警节点2。

进一步的，所述系统还包括与所述远程监控中心服务器管理系统3通信连接的监控客户端4；

用户通过所述监控客户端4为实时了解到水库下游流域的水位信息、节点预警状态，对所有所述预警节点2的历史数据进行多方式查询。

进一步的，所述报警节点为i+1号所述预警节点2时，所述系统记录i-1号所述预警节点2水位上涨速度满足的时刻ti-1,实测以及i号述预警节点2水位上涨速度满足的时刻ti,实测；

得到所述水头在i号所述预警节点2的预测速度：

其中，li-1,i为i-1号所述预警节点2与i号所述预警节点2之间的距离；

得到所述水头到达i+1号所述报警节点2的预测时间：

其中，li,i+1为i号节点与i+1号节点之间的距离，dj为上一个所述报警节点所述水头到达的预估时间与实测时间之间的差值。

进一步的，根据所述水头到达i+1号所述报警节点2的预测时间或i-1号所述预警节点2的水位上涨速度设定报警级别，不同的所述报警级别所述报警模块23对应设置不同的报警内容。

采用上述进一步方案的有益效果是：

采用了分网段链式线型网络结构搭建多点水位采集的无线传感器网络，每个节点均作为中继可有效拓展监测范围，也增强了组网的灵活性。

基于无线传感器网络节点的地址定位及多点水位实时监测数据，通过规律分析，可以对具有报警功能节点的水位上涨趋势进行预测，实现可以量化的预警预报。

附图说明

图1为现有技术中水位采集系统的实施例的结构框图；

图2为现有技术中星型网络结构组建水位采集系统的结构框图；

图3为本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统的结构框图；

图4为本发明提供的一种预警节点的硬件电路模块化设计的实施例的结构框图；

图5为本发明提供的一种分网段链式线型多跳网络结构的实施例的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、汇聚网关，2、预警节点，21、传感器，22、无线多跳网络信号收发芯片，23、报警模块，24、供电单元，25、信号处理模块，3、远程监控中心服务器管理系统，4、监控客户端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图3所示为本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统的结构框图，由图3可知，包括：汇聚网关1、预警节点2和远程监控中心服务器管理系统3。汇聚网关1和预警节点2均分别包括无线多跳网络信号收发芯片22。各个汇聚网关1和预警节点2基于无线多跳网络通信。

该预警节点2设置于水库下游各个水位监测点，还包括传感器21，传感器21采集各个监测点的水位信息发送给无线多跳网络信号收发芯片22，无线多跳网络信号收发芯片22将该水位信息发送给下一跳预警节点2或者汇聚网关1。

汇聚网关1将各个预警节点2采集各个监测点的水位信息通过移动网络发送给远程监控中心服务器管理系统3。

在无线多跳网络中，任何无线设备节点都可以同时作为ap和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统，考虑水库下游河道的地理环境复杂，有些地方陡峭多弯，有些河段偏僻移动互联网信号微弱，有些地方有山体易阻挡无线信号传输，河床的宽度和坡度多变，为准确的采集水位带来了很多困难，采用适用于河道地理结构传输特点的线型多跳网络模型搭建无线多跳网络，实现便于扩展、易于灵活组网的多点采集方式，能够根据地理环境完成无线传感器网络灵活组网及工程安装，按需进行多点水位等信息的采集。

各个预警节点基于无线多跳网络通信，使得预警节点和汇聚网关可以通过增减模块来完成切换，便于实现分布式多点采集与报警。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统的实施例，该系统包括：汇聚网关1、预警节点2、远程监控中心服务器管理系统3和监控客户端4。

具体的，如图4所示为本发明提供的一种预警节点的硬件电路模块化设计结构框图，无线多跳网络不同类型的节点的硬件电路进行模块化统一设计，各模块与其他模块通过定义好的接口连接，通过增减模块实现预警节点与汇聚网关的切换，为多点水位采集的布点和组网奠定了基础。由图4可知，该预警节点2的实施例包括：传感器21、无线多跳网络信号收发芯片22、报警模块23、供电单元24和信号处理模块25。

传感器21包括超声波传感器、激光传感器和液压式传感器中的一个或多个，图4给出的是三个传感器都包括的实施例，实时采集监测点的水位、温度和电压等水位信息，将采集到的水位信息通过无线多跳网络信号收发芯片22发送给下一跳预警节点2或者汇聚网关1，最终由多跳路由转发至汇聚网关1。

无线多跳网络信号收发芯片22可以采用ti公司的cc2530芯片，基于该cc2530芯片的无线射频通信功能以及zigbee协议，构建一套由多终端预警节点组成的无线多跳网络，接收本地的传感器21以及上一跳预警节点2采集的监测点的水位信息。无线多跳网络信号收发芯片22提供6个标准接口分别连接信号处理模块25、供电单元24、报警模块23、液压式传感器、激光传感器和超声波传感器。

优选的，预警节点2还可以包括报警模块23，通过选择连接该报警模块23来实现声光报警的功能，当收到报警指令后，根据指令要求驱动led爆闪灯和喇叭，提醒疏散附近人群。

报警模块23由控制电路、led爆闪灯、喇叭三部分组成。控制电路根据无线多跳网络信号收发芯片22接收到的水位信息生成报警指令，控制led爆闪灯是否闪烁以及喇叭是否发出警报。报警模块23通过2个标准接口分别连接无线多跳网络信号收发芯片22和供电单元24。

进一步的，供电单元24为整个预警节点1提供供电电源。供电单元24由太阳能电池板、电源管理模块、锂电池、稳压电路组成。太阳能电池板与电源管理器相连，电源管理模块与锂电池、报警模块、太阳能电池板以及稳压电路相连，其功能是处理太阳能电池板得到的电能、管理电池的充放电、为报警单元提供12v直流电压源，为稳压电路提供5v电压源。稳压电路与无线多跳网络信号收发芯片22、信号处理模块25、电源管理器相连，其主要功能是为无线多跳网络信号收发芯片22与信号处理模块25提供3.3v直流电压源。从外部来看，供电单元提供3个标准接口分别连接无线多跳网络信号收发芯片22、信号处理模块25和报警模块23。

信号处理模块25主要功能是将无线多跳网络信号收发芯片22发送过来的数据通过移动网络发送至远程监控中心服务器管理系统3、将来自远程监控中心服务器管理系统3的数据以及指令发给无线多跳网络信号收发芯片22。采用arm-11作为核心板进行开发，包含信号处理电路(具有汇聚无线传感器网络数据、数据解包、重组数据包等功能)、gprs模块(与数据中心进行通信)。从外部来看，信号处理模块25提供2个标准接口分别连接无线多跳网络信号收发芯片22和供电单元24。

汇聚网关1和预警节点2的结构可以相同或不同。汇聚网关1包括无线多跳网络信号收发芯片22、供电单元24和信号处理模块25，如果汇聚网关需要同时具备信号采集和报警的功能时，通过选择增加报警模块23和外接对应传感器21即可。汇聚网关1是连接无线多跳网络通信网络与远程监控中心服务器管理系统3的通信枢纽，具有汇聚无线多跳网络通信网络数据、数据解包、按照3g/4g协议重组数据包、与远程监控中心服务器管理系统3进行通信等功能。汇聚网关1采用arm-11作为核心板进行开发，负责整个系统中预警节点2与远程监控中心服务器管理系统3之间的数据传输，实现了无线多跳网络与移动互联网络的互联。

优选的，本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统，采用了分网段链式线型网络结构搭建多点水位采集的无线传感器网络，每个节点均作为中继可有效拓展监测范围，也增强了组网的灵活性。

无线传感器网络中信号传输过程容易受到地形、植被等因素的影响，会发生反射、散射、吸收等，从而导致信号的衰减。面对水库下游流域复杂的应用环境，分布式水位监测预警系统采用分网段链式线型多跳网络结构实现无线传感器网络中的信息传输，通过在关键位置部署汇聚网关1从而分网段建立含有不同节点数的线型无线传感器网络，前面所述模块化设计方法可以实现预警节点和汇聚网关的灵活切换，也为分网段链式线型多跳网络的建立奠定了基础。

信息从每个网段的源节点开始逐级经过相邻的下一跳节点进行传输，直到发送到汇聚网关1。离汇聚网关1越近的节点需要转发的数据量越大，消耗能量越多。为了适应无线传感器网络低能耗运行的要求，在线型多跳网络采用分段链式拓扑结构，按照汇聚网关的位置分网段划分节点归属区域，解决线型网络信息量不均衡的问题。同时，为了避免数据量过大造成不可靠传输，预警节点2并不进行数据融合；同时通过功率调整机制、ack与重发机制来增强抗时间抖动性和容错性，保证数据转发的可靠性。

如图5所示为本发明提供的分网段链式线型多跳网络结构的实施例的示意图，图中汇聚网关1和所属节点的数量不具有唯一性。示意图中的无线传感器网络分为了2个网段，网段一中的4号节点和网段二中的5号节点分别为网段一和网段二的汇聚网关1，汇聚网关1和预警节点2数量根据具体环境确定。汇聚网关1负责管理其左右两侧所属网段的监控区域，网段内各节点采集的信息由远及近进行传输，最靠近汇聚网关1的预警节点2将多个预警节点2的数据转发给汇聚网关1。通过接口选择连接外接模块，无线传感器网络中的每个预警节点2的功能可以进行自定义，例如可以通过选择连接合适的传感器实现有效的水位采集，可以通过选择连接报警模块23来选定各网段的报警点。此外，无线传感器网络具有自组网的特点，且每个预警节点2都是数据传输链路中的中继节点，无线传感器网络通过中继接力的方式可以有效增大监测区域，克服现有方案中监测距离有限的问题。此外，各节点监测自身数据，如出现异常，立即将数据转发到下一跳节点以保证信息传输链路不受影响。

具体的，为了快速准确的规划信息传输路径，每一个预警节点2维护自己相邻一跳的邻居列表，每个节点有特定地址编码格式进行识别与定位。在本发明提供的实施例中，节点地址采用15位二进制数进行表示，节点地址由三部分组成:网段位置、节点地址和节点类型标志。网段位置用6位二进制代码表示，网络可扩展成64个相对独立的线型多跳子网(网段)；节点地址用6位二进制代码表示，每个网段可容纳不超过128个预警节点，网段位置和节点地址可以表示监测点的位置。节点类型标志位用3位二进制代码“×××”表示，第一位标志位代表是否具有数据采集功能：“0××”表示节点不能采集水位，“1××”表示节点可以采集水位；第二位标志位代表是否具有报警功能：“×0×”表示节点不能报警，“×1×”表示节点可以报警；第三位标志位代表节点类型：“××0”表示预警节点，“××1”表示汇聚网关。

优选的，为了解决深度多跳模式下网络不稳定和时延的问题，预警节点2采用非均匀部署方式，保证离汇聚网关1节点越近的密度越高，传输距离越短，消耗能量越小，实现能耗均衡。同时，在地势复杂的区域实现高密度覆盖，使节点处于多种路由下，保证数据的可靠传输。

网络的初始化由汇聚网关1发起，汇聚网关1首先发送同步信号到监控中心，同时广播含自身序号的初始化命令，可调整发射功率控制覆盖范围。每个节点收到其他节点的应答信号，登记邻居信息，并按照rssi(receivedsignalstrengthindication，接收的信号强度指示)值对邻居列表进行排序。汇聚网关1分别接收到预警节点2的应答信号，按照rssi值大小依次确认最近的节点，要求上传排序后的邻居列表，如果邻居列表除了汇聚网关1外无重叠的邻居节点，说明相应的预警节点2应分别在汇聚网关1的左右两侧。汇聚网关1建立地址表、发送含同步时间、sink编号、网段位置、节点地址及特殊标志的编号命令给预警节点2。然后由相应节点继续广播，对应答信号进行分析，根据编号更新邻居节点表，并按照rssi值确定最近的节点，发送含同步时间、sink编号、网段位置、节点地址及特殊标志的编号命令，如此不断重复直到所有的节点都完成登记、时间同步以及节点地址的标注。此外，线型多跳无线传感器网络具有路径单一、多跳路由的特点，本发明公开的实施例中通过链式双时隙控制策略，使节点的接收时间与发送时间进行交错排列来达到节省能耗的目的。

具体工作过程中，预警节点2具有水位采集、信号转发(zigbee)、声光报警等功能。流程为：上行时无线多跳网络信号收发芯片22接收到接口传递的水位信息或者上一跳节点转发的水位信息后，通过微网通信电路(zigbee协议)将水位信息发送到下一跳节点；下行时，如果无线多跳网络信号收发芯片22接收到报警命令，就会通过接口告知报警模块23或者通过微网通信电路(zigbee协议)将报警命令按照规划路由转发给下一跳节点。

汇聚网关1负责本网段所有节点信号汇聚转发，还可选择具有水位采集、声光报警等功能。流程为：上行时，无线多跳网络信号收发芯片22接收到接口传递的水位采集信息或者前序节点转发的水位信息后，将水位信息通过接口传输给信号处理模块25，信号处理模块25对汇聚的数据解包，按照3g/4g协议的数据格式通过gprs将信息发送到远程监控中心服务器管理系统3；下行时，远程监控中心服务器管理系统3将所属网段节点的报警指令发给汇聚网关，信号处理模块25将报警指令通过接口传输给无线多跳网络信号收发芯片22，无线多跳网络信号收发芯片22按照目标节点地址将报警指令转发给下一跳节点。

远程监控中心服务器管理系统3负责处理和存储由汇聚网关1转发过来的预警节点1的采集数据。远程监控中心服务器管理系统3将监测数据按照预警节点1的地址存入到数据库中，并启动对各种异常数据的实时监测与解析。远程监控中心服务器管理系统3提供曲线图、实景图以及列表等多种形式的数据查询功能。通过异常点侦测算法，可以对所有节点工作状态进行监控。同时，远程监控中心服务器管理系统3可提供接口接入水情管理部门配套的监控平台，也可接入自行开发的监控程序。

由图3可知，本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统的实施例中，还可以包括：监控客户端4。监控客户端4既可以是管理部门总控台的应用程序，也可以是管理人员移动终端上的app应用。通过客户端应用程序，用户不仅可以实时了解到水库下游流域的水位信息、节点预警状态，而且还能够对所有节点的历史数据进行多方式查询。

实施例二

本发明提供的实施例二为本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警方法的实施例，该预警方法的实施例基于本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统。本发明提供的一种水库下游分布式水位监测预警系统基于无线传感器网络节点的地址定位及多点水位实时监测数据，通过规律分析，可以对具有报警功能节点的水位上涨趋势进行预测，实现可以量化的预警预报。

基于分网段链式多跳无线传感器网络可以实时监测、定位每个节点的水位、温度、电压等参数，每个节点的类型可以通过节点地址编码来进行标记和判断。通过实时监测到的各点的水位数据和历史数据进行预警预报，实现可以量化的预警预报。具体来说如下：

通过n个汇聚网关将被监测河段分为n个网段，每个网段的预警节点2和汇聚网关1按照河水上游至下游的方向依次进行地址编码。

用每个预警节点2的水位上涨速度作为水头是否到达该预警节点2的依据。如果时，说明水头已经到达i号节点，其中hi为i号节点测得的水位，mi为i号节点水位上涨速度的门限值，δhi为i号节点测得的水位变化量，δt为时间变化量。

假设i+1号节点为报警节点。首先监测前序节点的水位上涨速度，如果i-1号预警节点(2)水位上涨速度满足表示水头到达i-1号预警节点(2)，系统记录此时刻ti-1,实测；如果i号预警节点(2)水位上涨速度满足表示水头到达i号预警节点(2)，系统记录此时刻ti,实测。

因此可以估算出水头在i号预警节点(2)的速度：

其中，li-1,i为i-1号预警节点(2)与i号预警节点(2)之间的距离。

根据水头在i号预警节点(2)的速度，估算出水头到达i+1号报警节点的时间：

其中，li,i+1为i号节点与i+1号节点之间的距离，dj为上一个报警节点(2)水头到达预估时间与实测时间之间的差值，即dj＝tj,实测-tj,预估。

根据定义预警时间提前量设置预警级别，达到多次、分级别的报警方式。如下表1所示为本发明实施例提供的i号节点多频次、分级别报警的报警级别、判断条件和说明的对应表。

表1i号节点多频次、分级别报警

i号预警点的报警状态(电压、温度、功率等参数)通过无线传感器网络、汇聚网关反馈至数据中心，用户可以通过客户端进行实时查看。

系统具备自动监测、自动预警、信号转发、数据分析的功能，能够实现可靠、及时、可控的信息传输，能够灵活实现多点水位数据的采集和监控；同时，根据多点水位采集的结果，通过分析前序监测点水位变化情况来预测后续监测节点的水位变化，从而实现可量化的自动预警功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。