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北斗定位的人工智能水文环境信息监测系统的应用

2021-07-24 472 上传者：管理员

摘要：水文环境监测关系到生态环境保护,也关系到人们的生产生活。新时期,随着我国信息技术、卫星技术的飞速发展,水文环境监测更加智能化,显著地减少了人力投入,对环境保护工作开展带来极大便利。以往我国的水文信息监测存在诸多的不足,不能在洪灾预防方面发挥出应有作用,需要对这一问题加以解决。本文从研究的意义入手,讨论影响水文监测的因素,阐述北斗通信模块的相关内容,并分析如何进行系统的硬件和软件设计,最后对系统的调试进行相关分析,希望可以对水文环境监测提供帮助。

关键词：
人工智能
信息监测系统
北斗定位
水利资源
水文环境
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1、引言

我国的水利资源十分丰富，夏季降水量大，加之近年来气候异常导致洪水多发，造成巨大的经济损失，严重威胁人们的生命安全。当前我国的防洪抗灾工作主要问题就体现在预报不及时和水文信息的缺失，并且存在测量的精确度不足问题，不能为监测人员提供及时、详细地水文变化数据。所以需要建立新的水文监测系统，提升监测系统的智能化水平，进而提升我国的抗灾减灾能力。目前借助人工智能水文监测模块，基于传感器和4G通信网络，然后利用云服务器进行数据处理，以手机为显示终端，可以设计出满足于水位监测、水位预警等功能为一体的水文信息监测系统。

2、人工智能水文环境信息监测系统研究的意义

近年来，我国的地质灾害和洪涝灾害频发，严重威胁着群众的生命安全，造成了巨大的经济损失，尽管灾害发生后政府全力开展救援工作，但是预报不及时和水文信息的问题始终没有有效解决。如果在河流水沙灾害发生之前对各种水文信息掌握，实现对信息的在线监测，可以让水利和抗灾部门及时掌握水文特征，提前做好预防措施，减少重大灾害的发生概率，所以说建立出功能齐全、可靠性好、操作方便的水文监测系统有着深远意义[1]。

在工业化进程不断推进的背景下，水资源短缺以及水污染问题引起社会的广泛关注，该背景下我国的水文环境信息监测工作取得了一定成效，传统的水文监测主要分析降水量、蒸发量、地表径流和地下径流，而水资源监测还包括地表水、地下水、空中水的利用情况和污染程度，利用监测数据评价水资源和未来的水资源变化趋势，进而提升水资源利用效率。全球定位系统是当前水环境分析主要的技术支持，而北斗系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，可以提供全天候、全天时、高精度的定位，借助北斗系统可以实现监测水文控制站、远程管理、远程数据提取、固态存储，并且利用系统发送和补发数据，通过水文数据平台为谁环境治理提供巨大帮助，其中包括提前预测台风、洪水等自然灾害，调节河流水压等。

3、影响水文监测的因素

当前的部分地区水文监测站在水文监测中会借助人工观察的方法，水文数据的上报也依靠人工，存在上报的数据不准确和不及时问题，及时一些水文监测站配备了水文自动测报装置，但是精确度、稳定性和智能化水平都不理想，所以传统的水文测报方法已经不能满足防灾和抗灾的要求。而远程的水文监测系统可以对水文信息的基本条件、影响因素全面分析，对区域内的水库、河流监测点中的水位、流量、水质等信息实时采集和传输，有利于对水资源的合理利用，可以提升预测洪涝灾害的准确性，有利于分析出洪涝灾害的发生规律。

水文监测的影响因素，包括自然因素和人为因素，其中主要包括降水量、水位、流量、水质、环境为年度和湿度、风力等自然因素，对这些因素分析是保证水文灾害预防的基础和根据。在远程监测终端实时监测水位、流量等信息，然后转化成数据传输到北斗通信模块的远程数据监控中心，详细地分析出该流域水文动态变化情况。在北斗通信系统下的数据传输具有速度快和准确性高的优势，可以让水利部门第一时间对河流管理，进而提升水利部门的工作效率[2]。

4、北斗通信模块的相关内容

“北斗”是我国独立研制的全球定位系统和通信系统，是世界上继美国和俄罗斯之后第三个具有完善的卫星通信和导航系统的国家，该系统对我国国防建设以及社会发展都起到了积极的推动作用，同时可以向全球用户提供导航和定位服务，自2003年建立了卫星导航实验系统之后，2012年开始向亚太地区用户提供服务，2020年已经全面建成北斗三号系统。北斗系统凭借实时导航、快速定位以及位置报告等功能可以用于多个领域中，对我国水利事业的发展同样起到了促进作用。

北斗定位下的水文环境信息监测系统包括了传感器、传感层和应用层三个部分，可以对水位等水文环境参量监控，具体流程为控制板、4GDTU、基站、后台服务器、手机APP，其中传感层包括了大气检测传感器、水位传感器、气象传感器，不仅可以获取8个物理量，还可以对监测点的位置信息获取。在传输层的组成部分包括无线传输板块、开发板、串口屏，在应用层包括了云服务器和手机APP，为相关人员及时分析环境信息以及查询历史数据提供帮助，还可以人工智能预测水位，目前北斗系统下的水文环境信息监测系统已经十分成熟，可靠性好[3]。

5、如何进行系统的硬件和软件设计

5.1 硬件的远程监测终端设计

在人们生产和生活中，大量的污染物被排放到空气中，导致厄尔尼诺现象出现，随之也导致我国的气候异常，夏季频繁出现暴雨以及洪水灾害，利用当前的水文监测系统存在自动化水平偏低的问题，在我国使用远程水文监测系统还不普遍。随着对北斗定位水文环境监测系统打造，可以提升监测效果，对区域内的河流远程监控，采集到相关的数据，该系统包括远程监测终端、北斗通信模块和远程控制模块，具体说来：在远程监测终端中，利用现场总线、无线传感器节点、无线通信模块、远程水文监测模块分析出水位高度、水温和流量的看具体数值，然后以信息的形式向远程操作模块发送水文信息。在北斗通信模块中，设置端口和现场的RTU连接，进而接收到现场的数据，之后利用北斗通信模块把数据传输到上位机，使得监控中心获得更多数据。在远程控制模块，监测中心的管理人员可以借助终端访问不同河流的水文数据，比如定时发送水文信息和警告，凭借其强大的功能可以为抗洪指挥提供巨大帮助。

比如水传感节点的硬件设计中，MCU利用GH2201芯片，北斗采用NMEA-0183通信协议，可以将精度控制在2.5m,30s即可收集到信息，水文监测系统的传感节点包括以下两个功能，其一是利用传感器获得水位和温度等信息，然后利用北斗模块确定地理位置。之后可以把获得的数据借助串口发送到显示屏，数据也会同步传输到4GDTU模块，最后传输到后台服务器[4]。

5.2 软件的远程监测终端设计

在北斗系统中，进行远程的水文监测软件包括了主程序、温度程序、液晶驱动程序、水位监测信号发射额和接收、北斗数据传输等部分，其中在主程序的流程设计中，流程依次为：远程水文监测终端各模块的功能设置，北斗模块的点火、液晶初始化，将固定内容显示在LCD、计算温度值、计算传播速度。在温度程序设计中，由于水位的监测信号会受到温度的影响，所以要考虑到温度补偿，在该程序中利用到DHT11传感器，流程包括系统初始化、DHT11初始化、发出信号、读取DHT11温度和湿度数据、显示温度和湿度数据。在液晶程序显示程序设计中，利用LCD1602型液晶点阵字符模，对水温、湿度等数显示，流程为：主程序调用LCD初始化参数，调用指令函数。

在水位信号发射程序设计中，利用40KHZ超声波、反相器4069可以得到脉冲，流程如下：主函数调用40KHZ超声波发射子程序、输出、关闭总中断、将CCP模块设置为输入捕捉模式，开启总中断，开启定时器。在水文华近景监测的软件设计中，需要设计出服务器和移动端APP，其中包括了人工智能水位预测、预警功能、展示功能以及历史数据查询，在操作系统下，利用安卓和JAVA语言打造移动端APP，在环境的监测中包括了图标模式和地图模式，直观地展示出观测点地理位置和图标模式，体现出水位、风向、气压、雨量以及PM2.5，在图标模式下还可以发现实时数值，在水位超高时可以发出警报，此外，在历史的数据查询中可以与以往同期的数据对比。借助人工智能的水位预测，可以对数据深度学习，预测出未来7天的水位变化情况[5]。

6、水文环境信息监测系统的调试

在北斗系统的卫星远程水文监测系统发射和接收水位监测信号，在安装硬件系统时可以保证其平行于两个转换器的中心线，之后蜂鸣器会发出声波信号，并且接收模块利用壳遮挡，以此具有良好的抗干扰能力，对水位数据的测量更加准确。在制作好硬件电路之后，将一些数据下载到控制器，根据调试的结果对显示数据修改，调节定时器的时间，可以得到更加优质的脉冲信号，测量的精确可以达到0.01m。在系统的软件调试中，基于北斗卫星的远程水文监测系统护利用到很多的软件，并且在调试的过程中较为复杂，要想对水文状态实时监测，就要是对数据的远程传输重视起来，分析程序是否存在错误，然后合理调整，最终保证程序的可靠性。通过以上分析，可以发现，利用人工智能技术对水文环境监测可行，在水文环境系统的测试中，主要包括了底层硬件的运行情况以及手机APP的运行情况。通过对采集点的水文信息收集，可以将数据上传到服务器，之后推送到手机，整个北斗系统的人工智能水文环境监测系统完成[6]。

7、结束语

综上所述，在本文中对北斗定位的人工智能水文环境信息监测系统进行了有效分析，可以解决传统的监测数据不准确以及积极式问题，可以测量2.5m范围内的数据信息，并且在收集数据之后可以在30s搜集到水文信息，体现出在北斗定位下的智能化特点今后还需要对人工智能技术继续利用，为我国的水文、大气等领域的环境监测提供帮助，促进环保事业发展。

参考文献:

[1]王佳,张新华,雷晓辉,等.分布式水文模型对水质监测数据的补充及污染源分析[J].南水北调与水利科技,2019(1):92~97.

[2]刘志雨.我国水文监测预报预警业务展望[J].中国防汛抗旱,2019(11):31~34.

[3]姚华,徐兴.基于河(湖)长制的无锡水文监测服务体系初探[J].治淮,2019(12):50~51.

[4]姚华.基于河(湖)长制的无锡水文监测服务体系建设初探[J].水资源开发与管理,2019(9):63~65.

[5]水环境自动监测监控预报预警系统关键技术与应用[J].中国科技成果,2019(18):61~62.

[6]张雨,孙彦钊,李彦邦.黄河水文科技技术对水文监测发展的影响[J].科技视界,2019(4):220~221.

文章来源：吕大勇.北斗定位的人工智能水文环境信息监测系统研究[J].绿色环保建材,2021(07):31-32.