无线技术在山洪预警(环境监控)的应用

      山洪灾害的防治需坚持“以防为主，防治结合”，通过建立一套具备完善预测、预报、预警能力和应急指挥能力的“山洪灾害监测预警系统”，在山洪到来之前能发出预警信息，让相关部门迅速做出科学决策，保障民众生命财产安全。随着物联网、工业无线通信技术等相关学科发展，通过引用相关领域新产品、新技术实现了灾害预测、预报、预警、应急指挥的智能化。

        厦门为那通信科技有限公司是中国物联网无线通信领域的骨干企业，近几年来一直紧贴物联网行业发展的脉搏，深入研究工业无线通信产品，在水利水文、防洪防灾等相关领域的广泛应用，逐步形成了以无线产品为基础，为行业客户提供成熟的系统解决方案，全面协助客户实现“智慧、标准、安全、可靠”的无线通信山洪监测预警系统。

1、WCTU技术

1.1 什么是WCTU

       WCTU（thewireless control collect transmission unit )全称为无线控制采集传输单元，是专门用于将接口数据（RS232、RS485、RS422、TTL、A/D、I/O）转换为IP数据进行传输或者反向转换把IP数据转为接口数据进行传输的无线终端设备。WCTU是厦门为那通信科技有限公司自主研发的综合DTU、RTU及短信收发功能为一体的高性能工业级无线控制采集传输设备，是工控行业应用中集控制、采集、传输、短信为一体的必备通信产品。

       WCTU兼容多种网络制式：支持LTE、HSPA+、HSPA、TD-SCDMA、EVDO、EDGE、CDMA、GPRS多种网络制式；完美支持电信/移动/联通国内三大运营商2G/3G/4G网络；支持2G/3G/4G网络制式智能切换，保证设备工作在最好的网络制式下，使设备处于高效、稳定运行状态。

1.2 WCTU工作过程描述

       WCTU是一款主动发起与数据中心建立连接通信，并保持通信链路长久连接的无线控制采集传输设备。由于WCTU登陆网络时，通过运营商网络认证拨号成功后获取到一个随机分配的IP地址。因此，这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或域名。数据中心的公网IP地址或域名作为参数存储在WCTU内，以便WCTU一旦上电拨号成功，就可以主动连接到数据中心。然后前端采集设备就可以通过WCTU的串口跟数据中心进行数据交互，实现数据中心远程监控的功能。

       WCTU还提供了网络或短信的I/O报警和控制功能及其A/D采集功能。

       I/O报警功能：WCTU监测其引脚相接的电平变化。当I/O电平变化符合预设的状态时，WCTU会通过网络或短信向服务器或指定的手机号上发送报警信息，从而达到报警功能，及时联系相关人员处理，减少损失。

       I/O控制功能：用户可通过网络或指定的手机号码向WCTU发送控制命令，控制外部I/O引脚的电平变化。使与其引脚相接的下位机设备通过监视引脚的变化来做相应的动作，从而达到控制下位机的功能。

       A/D采集功能：WCTU同时自带A/D采集接口，能自定义采集周期，对前端传感器模拟量数据进行实时采集，并转换成数据量主动或被动的上传到远程服务器上。

1.3 WCTU的优势

       WCTU通信方式适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。目前，还存在很多监测站与各采集点采用电话线传送数据或使用人工抄录方式，实时性差，费用也不便宜。然而WCTU完全的规避了这些缺点和不足，更加适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。

       WCTU无线传输数据有以下优势：

       1、WCTU用户可随意分布和移动自己的采集点，无须担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。建设新的采集点无需进行拉线，埋线等工作，较使用光纤或专线安装投资较少，设备安装方便。

       2、安装价格低廉、节约成本，与拉线埋线相比较WCTU其终端价格比安装有线的费用便宜很多。

       3、双向传输功能：WCTU通过无线方式与数据中心进行连接成功后，WCTU与数据中心就可以进行双向数据传输。

       4、数据传送可靠：WCTU适合频繁的突发型数据业务及其大量的数据转发业务，支持TCP/IP通信，通信质量稳定可靠。

       5、丰富的通信接口：支持RS232/RS485/RS422/TTL、支持六路IO报警控制功能、支持六路的A/D采集功能，为用户提供多样化通信接口。

       6、支持短信控制、配置功能，相关管理人员可以通过指定的手机号码实时的控制设备跟修改WCTU配置。

       7、支持网络控制、配置功能，管理人员可以通过监控中心实时的控制设备跟修改WCTU配置

       8、支持多种安全加密协议方式，WCTU支持AES、3DES、DES等加密方式，防止用户信息泄露，保护用户信息的安全。

       9、支持LED灯查看设备的运行情况，可以快速判断设备当前运行状态，方便管理人员快速处理。

       10、支持在线远程升级，不用在担心由于设备需要升级而跑到现场操作，浪费人力物力，减少企业开支。

       11、支持通信串口和调试串口分离模式，设备调试期间，不影响正常的数据传输。

       12、 优化了485的通信功能，485同时收发串口数据不会出现数据乱码的现象。

       13、高性能多功能，WCTU是一款综合DTU/RTU及短信收发功能为一体的工业级无线控制采集传输设备。

2、WBee技术

2.1 什么是WBee

       WBee是厦门为那通信科技有限公司自主研发的一款物联网无线短距离数据采集、传输设备，WBee这一名称来源于蜜蜂（Bee）用八字舞与同伴传递花粉所在方位信息的交流方式。WBee是一款近距离、低复杂度、自组织、低功耗、小数据量、低成本，带采集和控制功能的无线自组网采集控制终端。WBee发射功率达到业界最高值27dbm，接收灵敏度达到≤-126dbm，收发实测直线距离可以达到4000米，解决了一些短距离传输设备传输距离不足的问题。

2.2 WBee的工作原理

       WBee是一种无线通讯技术，是由厦门为那通信科技有限公司自主研发的产品。WBee通信技术采用蜂窝式自组织网通信方式，点对点传输直线可视距离可达4KM（实测值）。了解无线通讯的人都知道，各种无线通讯技术，都是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。WBee也不例外，它采用国际通用的315MHZ 、433MHZ、868MHZ 、915MHZ 、2.4GHZ 、5.8GHZ 六种免申请频段来进行无线通讯。

       WBee通信到底是怎么回事呢?简单的举一个例子就可以说明这个问题。当一队特警人员在执行任务时，每人持有一个WBee网络模块终端，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找并组网，很快就可以形成一个互联互通的WBee网络。而且随着人员的移动，彼此间的位置还会发生变化。因而，WBee可以自动的通过重新搜索到其它各个设备的路由通道来更新网络结构，从而实现可靠、稳定的通信

2.3 WBee的优势

       WBee的自组网络主要特点是低功耗、低成本、短距离、短延时、支持大量节点、支持中继、支持加密、速度快等特点。同时WBee是工作于免申请执照频段，且网络搭建便捷，因此WBee作为一款短距离无线通信设备，在短距离传输领域中具有非常强的可应用性。

2.3.1 网状优势

       1、具有强大的网络结构，WBee自组网络可以通过多级中继路由的方式进行更远距离传输，通信距离远远超过ZigBee、WIFI、蓝牙的传输距离。

       2、是一种特殊的点对点、点对多点的网络结构，其路由可自动建立和维护，具备自组织、自愈功能。

       3、网络结构还可以组成极为复杂的网络，可采用星状、片状和网状等多种网络结构，具有很大的路由深度和网络节点规模，一个协调节点最多可以管理达到65534个节点的大网。

       4、利用WBee自组网特性，设备的增加或者减少不影响整个WBee通信结构，具备通信稳定及其安装便捷的特性。

2.3.2 抗干扰性能强

       1、WBee 在低信噪比的环境下，具有很强的抗干扰性能；   

       2、WBee 技术在相同的环境中，抗干扰性能远远好于ZigBee、蓝牙和WIFI。   

       3、WBee的抗干扰性能在相同的环境中是蓝牙和WIFI的1000倍。

2.3.3 数据安全性

        WBee支持完善三级安全模式，包括无安全设定（广播）、使用访问控制（指定目的地址） 防止非法获取数据以及采用高级加密标准的加密方式，包括AES、3DES、DES等加密方式。WBee以多种加密方式，灵活的确保其数据传输的安全，防止数据在传输中被截取或篡改。

一、系统需求

        山洪灾害预警是在各种原始监测数据和历史数据分析对比的基础上，根据数据分析结果来决策预警信息。各监测点数据采集设备对各项水文数据进行实时监测，如水库水位、降雨量、河道水流速等。终端数据采集设备实时或间隔采集各项数据，并在GPRS无线网络平台的基础上，将采集的数据通过无线通信终端传到预警中心系统，中心系统将所得的各项数据进行综合分析，为预警决策系统提供依据。当预警决策系统得出预警信息后，预警系统采用数据信息或语音的形式向预警终端发出预警信息。

二、项目设计

       本系统是利用了现有的自动化、无线传输、计算机管理等技术，组成的无线监测系统。本文中的无线山洪滑坡监测管理系统主要是由三大部分组成：采集及控制设备、网络传输层、远程数据监控中心等系统组成。

2.1     采集及控制设备

       1、高精度的雨量传感器、震动感应器、压力感应器、GPS位移精准测量仪等相关监测设备，能够准确的反映监测区域的微小数据变化情况。

       2、高清的视频监控系统能够清晰的监控到山洪灾害发生的情况，及其人员避险的情况，并根据相关需要保存图片跟视频。

       3、实时高效的预警发布系统，包括野外告警发布LED屏、报警器，出现异常情况时，实时发布预警信息，提高预警发布质量跟时效性，减少人员伤亡跟财产损失。

2.2     网络传输

       山洪滑坡监控系统的网络传输是由WBEE、WCTU、ROUTE等三种工业级无线传输终端设备构成，采用WBee自组网、GPRS、3G等先进的无线传输方式，可以不受空间和地域的限制，减少布线所带来的巨大工作量，保证传输的稳定、可靠、及时。主要是负责前端各种采集及其控制设备的采集信息的传输，以及对前端环境监测，故障异常产生的报警信息进行报警。

2.3     监控控制中心

        监控控制中心由三部分组建成：县级监控中心、市级监控中心、省级监控中心。监控控制中心通过INTERNET网络，跟前端的各个采集信息设备进行相连接。并通过无线传输技术对采集到的数据进行分析处理，做出控制决策，控制中心远程发布告警信息或报警。

2.4     系统拓扑图

图 2.4-1

三、系统功能

       本系统主要通过前端传感器定时自动采集后，通过无线传输设备联网到各级地质监测网云平台，进行数据分析，结合气象局，进行山洪预警或是发布警告信息。

3.1     系统软件

       山洪灾害监测预警软件是基于B/S服务、数据库架构，功能强大、人性化的监控软件界面，具有实时信息采集功能、实时信息加工处理、灾害模拟分析、地理数据信息查看、灾害风险评估、实时发布预报数据、预警数据、暴雨分析等功能。系统围绕以预警为核心的实时监视、内部预警、预警发布、预警响应、信息查询和配置管理功能。

4.2     监控分级管理

       监控中心站采用成熟可靠的地质监测专线或Internet网络、短信服务器、WEB服务器等组成。监控中心将整个系统划为三级，形成多级监控方式：第一级省级监控、第二级市级监控、第三级为县级监控中心及其监控站点，多级监控符合山洪分级管理，统一协调的特点。现场监控站点数据采集操作均在各县市和省级监控中心的管理服务器管辖之下，从而形成一个覆盖全省的山洪多级监控系统。

3.3     实时数据采集

       山洪监测系统由雨量传感器、震动感应器、压力感应器、摄像头、GPS位移精准测量仪等工程设备和中心站组成。系统采用的以自动监测为主，人工监测为辅的灵活山洪灾害监测，系统利用运营商网络，雨量传感器、震动感应器、压力感应器、摄像头、GPS位移精准测量仪可实时自动上报的功能。也可使用智能山洪滑坡监测软件对多个监测点实时数据的远程接收、存储、配置、召测及系统管理。

3.4     数据汇集功能

       管理服务器的山洪滑坡监测软件完成所有管辖范围内工程设备的数据汇集功能。前端设备采集的雨情信息、山体震动、视频图像以及其他事实信息汇集到县级的监控中心的监控软件，并对现场设备采集的数据分析、处理，然后把数据保存于监测软件的数据库中，方便以后数据分析对比。由于系统采用的是多级管理方式，县级监控中心把实时采集的数据共享到市级监控中心跟省级监控中心，进而实现山洪监测信息的联动，使各级政府部门的管理者做出相应应急决策。

3.5     无线发布

       自动预警发布和人工预警发布，依靠县级监测设施，结合省级、市级防汛部门的信息、指令，开展监测预警工作。县级监控中心自动分析实时采集的暴雨、山塘、土质等监测信息，并及时发送预报警报，利用村庄配置的一台高频报警器、LED显示屏，进行发布预警信息。出现异常信息时，预警信息后的工作流程为：新预警→内部预警→发布预警→响应启动→响应结束。根据预警情况及信息发布，各相关部门要启动相应紧急执行方案，直到响应结束。

3.6     短信群发

       短信收发系统直接通过山洪灾害预警软件接口控制，出现异常情况时自动触发短信群发功能。自动的预警发布信息和响应指令，通过监控中心的短信服务器群发到责任部门和责任人，并实时接收部门和人员的反馈。管理者在根据短信的接收发布信息，进行远程操作指令，利用运营商提供的短信群发接口，对灾害点附件生活的群众，进行短信群发预警，进行群众转移，保护群众的人身安全 、财产安全等。