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远程江河湖泊水位和雨量信息监测系统作者：庄正屹概述：背景： 我国南北跨度大，大多地区处在**带季风区。由于西高东低的地势以及复杂的气候条件，与其他国家相比，我国的水情具有自身的独特性，主要表现在以下四个方面：（1）水资源人均量小，各地分布差异大。（2）河流水情南北差异大。（3）地理位置处于**带季风区，洪水灾害频有发生。（4）水土流失非常严重，水生态环境极为脆弱。 河流水系复杂，南北差异大。我国地势从西到东呈三级阶梯分布，山丘高原占国土面积的69%，地形复杂。我国江河众多、水系复杂，流域面积在100平方公里以上的河流有5万多条，按照河流水系划分，分为长江、黄河、淮河、海河、松花江、辽河、珠江等七大江河干流及其支流，以及主要分布在西北地区的内陆河流、东南沿海地区的独流入海河流和分布在边境地区的跨国界河流，构成了我国河流水系的基本框架。河流水系南北方差异大，南方地区河网密度较大，水量相对丰沛，一般常年有水；北方地区河流水量较少，许多为季节性河流，含沙量高。这些特点,加之人口众多、人水关系复杂，决定了我国江河治理难度大。 地处季风气候区，暴雨洪水频发。受季风气候影响，我国大部分地区夏季湿热多雨、雨热同期，不仅短历时、高强度的局地暴雨频繁发生。我国的重要城市、重要基础设施和粮食主产区主要分布在江河沿岸，仅七大江河防洪保护区内就居住着全国1/3的人口，拥有22%的耕地，约一半的经济总量。随着人口的增长和财富的积聚，对防洪保安的要求越来越高，防洪任务更加繁重。 水土流失严重，水生态环境脆弱。由于特殊的气候和地形地貌条件，特别是山地多，降雨集中，加之人口众多和不合理的生产建设活动影响，我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积达356万平方公里，占国土面积的1/3以上，土壤侵蚀量约占全球的20%。从分布来看，主要集中在西部地区，水土流失面积297万平方公里，占全国的83%。从土壤侵蚀来源来看，坡耕地和侵蚀沟是水土流失的主要来源地，3.6亿亩坡耕地的土壤侵蚀量占全国的33%，侵蚀沟水土流失量约占全国的40%。此外，我国约有39%的国土面积为干旱半干旱区，降雨少，蒸发大，植被盖度低，特别是西北干旱区，降水极少，生态环境十分脆弱。比如塔里木河、黑河、石羊河等生态脆弱河流，对人类活动干扰十分敏感，遭受破坏恢复难度大。 综上所述，人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情水情，洪涝灾害频繁、水资源严重短缺、水土流失严重以及水生态环境脆弱等特点，决定了我国是世界上治水任务最为繁重、治水难度最大的国家之一。 现有用于雨量和水位监测的系统多是基于国外控制器，随着国产技术的发展和国家安全意识的提供，而水资源又是关系国家安全与健康的领域，因此使用国产芯片替代国外芯片是一项值得研究的问题。本次比赛，我们项目组拟采用龙芯2K1000作为监测系统的主控制器，针对水资源的监测系统国产化做相关探索。 软硬件方案：本次比赛将题目分为三个部分：江河湖泊水位和雨量监测部分；云服务器存储部分；上位机显示部分。 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image002.png 图1 系统整体结构图 硬件方案：（1）雨量数据采集采用单干簧管类的翻斗式雨量计，雨量计输出信号为开关式电压信号。当有外部脉冲输入时，单稳态触发器通过输入的下降沿输出脉冲信号到脉冲计数器，脉冲计数器通过对脉冲的计数，达到对雨量的统计，采用cc2530与翻斗式雨量计通过IO口进行连接，得到雨量计脉冲次数，并传送给2k1000主控模块。 （2）水位数据采集US-100超声波模块实现对江河湖泊水位信息采集，通过cc2530与超声波连接得到水位数据，再与主控制器龙芯2K1000通过串口通信，发送采集的水位数据给龙芯2k1000主控模块。 （3）温湿度采集模块采用温湿度采集模块获取温湿度信息，通过IIC与龙芯2k1000主控模块相连，将采集到的温湿度信息传给主控模块。 （4）LED显示模块LED屏与龙芯2k1000主控模块通过IIC通信，将采集到的一系列数据通过LED实时显示。 （5）数据上传模块采用GPRS模块无线数据传输模块USR-GPRS232-7S3实现采集测量数据上传至云服务器。主控通过串口与该模块相连，将处理后的采集数据上传至云服务器保存。 软件方案：本作品采用RT-Thread物联网操作系统进行管理和调度。 （一）云服务器构建GPRS模块接入互联网，根据对应的服务器IP地址访问云服务器。江河湖泊水位雨量信息采集模块所采集的数据通过这种方式发送到云服务器端。云服务器接收到的数据存入服务器数据库，为用户的查询做准备。云服务器端与本地监控系统按照TCP/IP协议进行数据通信。本地客户端软件通过访问云服务器的IP地址连接服务器，服务器端的数据库程序根据相应的命令执行数据库操作。 （二）本地上位机构建本地数据监控模块主要是根据用户需求从服务器获取数据并显示到客户端界面上，拟采用QT完成本地客户端软件设计。通过TCP/IP协议连接网络与服务器进行通信，以完成后续的数据查询任务。客户端软件设计要求如下： 1.具有使用账号密码进行登陆的上位机界面，保障整个系统的安全与稳定性。 2.显示当前监测终端测量信息，对出现异常数据报警。 3.可以根据用户输入指令执行操作，包括数据更新，数据历史查询等。 4.能够根据历史测量数据生成折线图，以查看监测点的水位雨量数据变化情况。 5.能将查询的数据导出到Excel并保存至本地。 实现功能1） 通过雨量计与超声波采集雨量水位信息，并实现本地终端显示。 2） 硬件终端隔一段时间实现雨量水位数据上传云服务器，同时云服务器转发到上位机。 3） 当检测到水位数据异常时，通过上位机显示数字红色预警。 4） 用户可通过上位机登录远程实时监控雨量水位信息，并保存信息数据。 RT-Thread使用情况概述通过采用RT-Thread物联网操作系统控制系统运行，调度管理实现功能。在内核部分，使用了龙芯2K1000的串口驱动以及GPIO驱动。 硬件框架file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image004.png 图2 系统硬件结构图 作品核心板为龙芯2k1000开发板，开发板实物图图3所示 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg 图3 开发板实物图 软件框架说明本作品系统主要包括3个线程，协同实现水位雨量信息采集与上传，各项数据显示。软件整体流程图如图4所示。 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image008.png 图4 软件整体流程图 软件模块说明1.雨量、水位、温湿度数据采集 采用龙芯2k1000作为主控模块处理接收到的信息，通过串口分别读取由采集模块传来的雨量、水位信息，和通过IIC获取的温湿度信息，最终以下图格式发送给GPRS模块发送至云服务器。 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg 图5 数据格式 2.GPRS通信 2K1000通过串口和IIc收集并打包数据后，通过串口将数据发送给GPRS模块上传至云服务器。 演示效果file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg 图6 系统运行图 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg 图7 2k1000主控显示图 file:///D:/user/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg 图8 上位机显示效果图 视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV1nA411e7Jw/ 代码地址https://github.com/xinankejidaxueliangchao/-rt-thread-
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