基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

摘要：水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)通過3S技術的集成應用，利用嵌入式系統(tǒng)設計水質(zhì)監(jiān)測終端，利用GIS技術、GPS技術、RS技術、數(shù)據(jù)庫技術和物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)信息的融合、分析。本系統(tǒng)的研究為國家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎信息，為政府科技決策提供可靠的技術支撐，有利于促進流域經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

0 引言

我國水資源分布廣泛而豐富，但是也存在總量緊缺、人均占有量低、地區(qū)分布不均、水土資源不相匹配、城市缺水情況凸顯、水體污染日益加重等問題。本文針對我國主要江河湖泊流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀，以先進的流域水環(huán)境監(jiān)控、應急技術和理念為指導，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術、GPRS技術、Zigbee技術，研發(fā)水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)和預警平臺，實現(xiàn)流域水質(zhì)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、平臺實時顯示和預警，提升我國江河流域水污染實時監(jiān)控預警的自動化水平與應對突發(fā)事件的應急處置能力，為國家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎信息，為政府科技決策提供可靠的技術支撐。

1 物聯(lián)網(wǎng)基礎理論的研究

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的技術及其發(fā)展

所謂物聯(lián)網(wǎng)(IOT)，指的是互聯(lián)網(wǎng)和多種傳感設備結合起來而形成的一個大型的應用型網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)技術涉及的應用范圍和學科十分廣泛，是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來可以實現(xiàn)“物物交互”和“人機交互”兩種交互模式的一種新型網(wǎng)絡技術，由于物聯(lián)網(wǎng)可以通過兩種交互模式實現(xiàn)人、物、機三者之間的通信，在傳感器技術、識別技術等技術的基礎上，使實時監(jiān)控我們?nèi)粘Ｉ畹囊磺泻蛯崿F(xiàn)智能化、自動化、無人化的控制成為了可能。物聯(lián)網(wǎng)整體體系結構如圖1所示。

1.2 水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)選擇

物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)設計重點考慮的問題是監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的選用、監(jiān)測參數(shù)的確定和采樣頻率的制定。針對我國主要江河湖泊流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀，急需以先進的流域水環(huán)境監(jiān)控、應急技術和理念為指導，結合流域復雜的水文、地形地貌、土地利用和生態(tài)特征，充分利用地理信息技術和云平臺，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)流域水質(zhì)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、平臺實時顯示和預警，提升我國江河流域水污染實時監(jiān)控預警的自動化水平與應對突發(fā)事件的應急處置能力，為國家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎信息，為政府科技決策提供可靠的技術支撐，促進流域經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體構架

水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)不同于普通的信息系統(tǒng)，全套系統(tǒng)的設計與構建、實施都是圍繞水環(huán)境資源這一特殊的工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展背景展開的。因此，為了能夠使水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務化運行得到最終實現(xiàn)，系統(tǒng)的功能、流程以及組成的設計必須以標準的水環(huán)境監(jiān)測流程為依據(jù)，如圖2所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結構設計

本系統(tǒng)將集成應用3S技術，將通過GPS獲得所需固定或移動監(jiān)測站的確切位置，并可以將監(jiān)測的數(shù)據(jù)利用通訊傳輸系統(tǒng)發(fā)送到信息控制中心，更新系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫;及時利用RS獲取監(jiān)測流域的水體圖像，并通過水質(zhì)模型監(jiān)測水質(zhì)變化，提早預警水污染的遷移過程;并利用GIS實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的分析、存貯，并呈現(xiàn)水污染模擬模型處理結果。

系統(tǒng)的設計分為三個主要部分：數(shù)據(jù)采集部分、信息輸出及處理部分、上位機監(jiān)控控制部分。實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理和實時顯示。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集終端主要完成環(huán)境污染信息自動采集、自動定位、數(shù)據(jù)存儲上傳等功能。

數(shù)據(jù)采集終端功能具體表現(xiàn)在安全保護功能、自動定位功能、本地顯示存儲功能、自動計量功能等方面，具體分析如下。

安全保護功能。具有自動運行、停電保護、來電自動恢復等功能。具有狀態(tài)測試功能，便于例行維修和應急故障處理。

自動定位功能。能夠自動定位投放位置并將地理位置信息上傳至總監(jiān)控中心。

本地顯示存儲功能。具有本地顯示功能，可本地查看當前及歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)。具有本地數(shù)據(jù)存儲功能，標準配置按5m/次記錄，可存儲30天數(shù)據(jù)。

自動計量功能。能夠自動計量重點污染源污水排放量;自動實現(xiàn)水樣的連續(xù)等比例采樣;自動記錄和監(jiān)控污染設施的運行。配備合適的傳感器，可自動完成PH、ORP、濁度、余氯、流量等參數(shù)的在線監(jiān)測，自動完成環(huán)境信息的聯(lián)網(wǎng)傳輸和分析處理。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸及處理部分

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括傳輸設備和所采用的通訊網(wǎng)絡，監(jiān)控中心與監(jiān)控終端的通信網(wǎng)絡根據(jù)實際情況采用中國移動GPRS網(wǎng)絡、中國電信CDMA網(wǎng)絡、3G、網(wǎng)橋通訊、微波通訊等，現(xiàn)場采集部分的通訊方式根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用485總線、CAN總線或無線傳感器網(wǎng)絡等。本次研究以3G通訊和無線傳感器網(wǎng)絡為主。

無線傳感器網(wǎng)絡由大量的集成了實時傳感、數(shù)據(jù)收發(fā)處理和無線通信能力的小體積、低成本的位于測量區(qū)域的傳感器節(jié)點和與該片區(qū)域匹配的匯聚節(jié)點、電腦上位機，自下而上自組織地構成了一套監(jiān)測網(wǎng)絡。配水單元、分析單元的集成組成傳感器節(jié)點，用來對各個單元相應功能的實現(xiàn);上位機軟件控制和傳感器節(jié)點相當于控制單元，將過程控制、監(jiān)控顯示和遠程通信的功能加以實現(xiàn)。由此可見，由無線傳感器所組成的網(wǎng)絡可是實現(xiàn)設計的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所要求的所有功能。

此次設計的無線傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相比，將有更大的優(yōu)勢：省去人工水樣收集、采集和對結果的化學分析實驗等大量工作，減少了人工分析結果和處理數(shù)據(jù)的工作，增加了被測參數(shù)的實時性、直觀性和可靠性。