基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線(xiàn)監測系統的研發(fā)

摘要：水環(huán)境在線(xiàn)監測系統通過(guò)3S技術(shù)的集成應用，利用嵌入式系統設計水質(zhì)監測終端，利用GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、RS技術(shù)、數據庫技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現信息的融合、分析。本系統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(shù)支撐，有利于促進(jìn)流域經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)境協(xié)調可持續發(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(wèn)題。本文針對我國主要江河湖泊流域水環(huán)境污染現狀，以先進(jìn)的流域水環(huán)境監控、應急技術(shù)和理念為指導，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS技術(shù)、Zigbee技術(shù)，研發(fā)水環(huán)境實(shí)時(shí)監測系統和預警平臺，實(shí)現流域水質(zhì)實(shí)時(shí)監控、數據傳輸、數據處理、平臺實(shí)時(shí)顯示和預警，提升我國江河流域水污染實(shí)時(shí)監控預警的自動(dòng)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(shù)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(shù)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(lái)而形成的一個(gè)大型的應用型網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的應用范圍和學(xué)科十分廣泛，是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來(lái)可以實(shí)現“物物交互”和“人機交互”兩種交互模式的一種新型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，由于物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)兩種交互模式實(shí)現人、物、機三者之間的通信，在傳感器技術(shù)、識別技術(shù)等技術(shù)的基礎上，使實(shí)時(shí)監控我們日常生活的一切和實(shí)現智能化、自動(dòng)化、無(wú)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)境監測物聯(lián)網(wǎng)選擇

物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線(xiàn)監測系統設計重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是監測物聯(lián)網(wǎng)的選用、監測參數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)境污染現狀，急需以先進(jìn)的流域水環(huán)境監控、應急技術(shù)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(shù)和云平臺，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線(xiàn)監測系統，實(shí)現流域水質(zhì)實(shí)時(shí)監控、數據傳輸、數據處理、平臺實(shí)時(shí)顯示和預警，提升我國江河流域水污染實(shí)時(shí)監控預警的自動(dòng)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(shù)支撐，促進(jìn)流域經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)境協(xié)調可持續發(fā)展。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線(xiàn)監測系統的總體構架

水環(huán)境在線(xiàn)監測系統不同于普通的信息系統，全套系統的設計與構建、實(shí)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(kāi)的。因此，為了能夠使水環(huán)境在線(xiàn)監測系統業(yè)務(wù)化運行得到最終實(shí)現，系統的功能、流程以及組成的設計必須以標準的水環(huán)境監測流程為依據，如圖2所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線(xiàn)監測系統總體結構設計

本系統將集成應用3S技術(shù)，將通過(guò)GPS獲得所需固定或移動(dòng)監測站的確切位置，并可以將監測的數據利用通訊傳輸系統發(fā)送到信息控制中心，更新系統綜合數據庫;及時(shí)利用RS獲取監測流域的水體圖像，并通過(guò)水質(zhì)模型監測水質(zhì)變化，提早預警水污染的遷移過(guò)程;并利用GIS實(shí)現對空間數據的分析、存貯，并呈現水污染模擬模型處理結果。

系統的設計分為三個(gè)主要部分：數據采集部分、信息輸出及處理部分、上位機監控控制部分。實(shí)現監測數據的實(shí)時(shí)監控、無(wú)線(xiàn)傳輸、數據處理和實(shí)時(shí)顯示。

3.1 數據采集

數據采集終端主要完成環(huán)境污染信息自動(dòng)采集、自動(dòng)定位、數據存儲上傳等功能。

數據采集終端功能具體表現在安全保護功能、自動(dòng)定位功能、本地顯示存儲功能、自動(dòng)計量功能等方面，具體分析如下。

安全保護功能。具有自動(dòng)運行、停電保護、來(lái)電自動(dòng)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(dòng)定位功能。能夠自動(dòng)定位投放位置并將地理位置信息上傳至總監控中心。

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)數據。具有本地數據存儲功能，標準配置按5m/次記錄，可存儲30天數據。

自動(dòng)計量功能。能夠自動(dòng)計量重點(diǎn)污染源污水排放量;自動(dòng)實(shí)現水樣的連續等比例采樣;自動(dòng)記錄和監控污染設施的運行。配備合適的傳感器，可自動(dòng)完成PH、ORP、濁度、余氯、流量等參數的在線(xiàn)監測，自動(dòng)完成環(huán)境信息的聯(lián)網(wǎng)傳輸和分析處理。

3.2 數據傳輸及處理部分

數據傳輸系統主要包括傳輸設備和所采用的通訊網(wǎng)絡(luò )，監控中心與監控終端的通信網(wǎng)絡(luò )根據實(shí)際情況采用中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò )、中國電信CDMA網(wǎng)絡(luò )、3G、網(wǎng)橋通訊、微波通訊等，現場(chǎng)采集部分的通訊方式根據現場(chǎng)實(shí)際情況采用485總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等。本次研究以3G通訊和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為主。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量的集成了實(shí)時(shí)傳感、數據收發(fā)處理和無(wú)線(xiàn)通信能力的小體積、低成本的位于測量區域的傳感器節點(diǎn)和與該片區域匹配的匯聚節點(diǎn)、電腦上位機，自下而上自組織地構成了一套監測網(wǎng)絡(luò )。配水單元、分析單元的集成組成傳感器節點(diǎn)，用來(lái)對各個(gè)單元相應功能的實(shí)現;上位機軟件控制和傳感器節點(diǎn)相當于控制單元，將過(guò)程控制、監控顯示和遠程通信的功能加以實(shí)現。由此可見(jiàn)，由無(wú)線(xiàn)傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò )可是實(shí)現設計的水環(huán)境監測系統所要求的所有功能。

此次設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與傳統的水環(huán)境監測系統相比，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(xué)分析實(shí)驗等大量工作，減少了人工分析結果和處理數據的工作，增加了被測參數的實(shí)時(shí)性、直觀(guān)性和可靠性。