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

摘要：水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過3S技術(shù)的集成應(yīng)用，利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端，利用GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、RS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的融合、分析。本系統(tǒng)的研究為國(guó)家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎(chǔ)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(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

0 引言

我國(guó)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(duì)我國(guó)主要江河湖泊流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀，以先進(jìn)的流域水環(huán)境監(jiān)控、應(yīng)急技術(shù)和理念為指導(dǎo)，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(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示和預(yù)警，提升我國(guó)江河流域水污染實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的自動(dòng)化水平與應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力，為國(guó)家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎(chǔ)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(chǔ)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(shè)備結(jié)合起來而形成的一個(gè)大型的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的應(yīng)用范圍和學(xué)科十分廣泛，是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來可以實(shí)現(xiàn)“物物交互”和“人機(jī)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)可以通過兩種交互模式實(shí)現(xiàn)人、物、機(jī)三者之間的通信，在傳感器技術(shù)、識(shí)別技術(shù)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，使實(shí)時(shí)監(jiān)控我們?nèi)粘Ｉ畹囊磺泻蛯?shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、無人化的控制成為了可能。物聯(lián)網(wǎng)整體體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題是監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的選用、監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定和采樣頻率的制定。針對(duì)我國(guó)主要江河湖泊流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀，急需以先進(jìn)的流域水環(huán)境監(jiān)控、應(yīng)急技術(shù)和理念為指導(dǎo)，結(jié)合流域復(fù)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(tái)，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示和預(yù)警，提升我國(guó)江河流域水污染實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的自動(dòng)化水平與應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力，為國(guó)家江河流域水環(huán)境安全管理提供基礎(chǔ)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(jì)、社會(huì)、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(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)架

水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于普通的信息系統(tǒng)，全套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)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)展背景展開的。因此，為了能夠使水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行得到最終實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能、流程以及組成的設(shè)計(jì)必須以標(biāo)準(zhǔn)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將集成應(yīng)用3S技術(shù)，將通過GPS獲得所需固定或移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的確切位置，并可以將監(jiān)測(cè)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(kù);及時(shí)利用RS獲取監(jiān)測(cè)流域的水體圖像，并通過水質(zhì)模型監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，提早預(yù)警水污染的遷移過程;并利用GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)果。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為三個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)采集部分、信息輸出及處理部分、上位機(jī)監(jiān)控控制部分。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)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(dòng)采集、自動(dòng)定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hù)功能、自動(dòng)定位功能、本地顯示存儲(chǔ)功能、自動(dòng)計(jì)量功能等方面，具體分析如下。

安全保護(hù)功能。具有自動(dòng)運(yùn)行、停電保護(hù)、來電自動(dòng)恢復(fù)等功能。具有狀態(tài)測(cè)試功能，便于例行維修和應(yīng)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(jiān)控中心。

本地顯示存儲(chǔ)功能。具有本地顯示功能，可本地查看當(dāng)前及歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)。具有本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，標(biāo)準(zhǔn)配置按5m/次記錄，可存儲(chǔ)30天數(shù)據(jù)。

自動(dòng)計(jì)量功能。能夠自動(dòng)計(jì)量重點(diǎn)污染源污水排放量;自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水樣的連續(xù)等比例采樣;自動(dòng)記錄和監(jiān)控污染設(shè)施的運(yùn)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(shù)的在線監(jiān)測(cè)，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(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(shè)備和所采用的通訊網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心與監(jiān)控終端的通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際情況采用中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)電信CDMA網(wǎng)絡(luò)、3G、網(wǎng)橋通訊、微波通訊等，現(xiàn)場(chǎng)采集部分的通訊方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用485總線、CAN總線或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。本次研究以3G通訊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為主。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的集成了實(shí)時(shí)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(cè)量區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)和與該片區(qū)域匹配的匯聚節(jié)點(diǎn)、電腦上位機(jī)，自下而上自組織地構(gòu)成了一套監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。配水單元、分析單元的集成組成傳感器節(jié)點(diǎn)，用來對(duì)各個(gè)單元相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn);上位機(jī)軟件控制和傳感器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于控制單元，將過程控制、監(jiān)控顯示和遠(yuǎn)程通信的功能加以實(shí)現(xiàn)。由此可見，由無線傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)可是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所要求的所有功能。

此次設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，將有更大的優(yōu)勢(shì)：省去人工水樣收集、采集和對(duì)結(jié)果的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)等大量工作，減少了人工分析結(jié)果和處理數(shù)據(jù)的工作，增加了被測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)性、直觀性和可靠性。