基于物聯網的水環境在線監測系統的研發

摘要：水環境在線監測系統通過3S技術的集成應用，利用嵌入式系統設計水質監測終端，利用GIS技術、GPS技術、RS技術、數據庫技術和物聯網技術實現信息的融合、分析。本系統的研究為國家江河流域水環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，有利于促進流域經濟、社會、環境協調可持續發展。

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題。本文針對我國主要江河湖泊流域水環境污染現狀，以先進的流域水環境監控、應急技術和理念為指導，充分利用物聯網技術、GPRS技術、Zigbee技術，研發水環境實時監測系統和預警平臺，實現流域水質實時監控、數據傳輸、數據處理、平臺實時顯示和預警，提升我國江河流域水污染實時監控預警的自動化水平與應對突發事件的應急處置能力，為國家江河流域水環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 物聯網基礎理論的研究

1.1 物聯網的技術及其發展

所謂物聯網(IOT)，指的是互聯網和多種傳感設備結合起來而形成的一個大型的應用型網絡。物聯網技術涉及的應用范圍和學科十分廣泛，是基于互聯網發展起來可以實現“物物交互”和“人機交互”兩種交互模式的一種新型網絡技術，由于物聯網可以通過兩種交互模式實現人、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，使實時監控我們日常生活的一切和實現智能化、自動化、無人化的控制成為了可能。物聯網整體體系結構如圖1所示。

1.2 水環境監測物聯網選擇

物聯網的水環境在線監測系統設計重點考慮的問題是監測物聯網的選用、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境污染現狀，急需以先進的流域水環境監控、應急技術和理念為指導，結合流域復雜的水文、地形地貌、土地利用和生態特征，充分利用地理信息技術和云平臺，研發基于物聯網的水質在線監測系統，實現流域水質實時監控、數據傳輸、數據處理、平臺實時顯示和預警，提升我國江河流域水污染實時監控預警的自動化水平與應對突發事件的應急處置能力，為國家江河流域水環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，促進流域經濟、社會、環境協調可持續發展。

2 基于物聯網的水環境在線監測系統的總體構架

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

3 基于物聯網的水環境在線監測系統總體結構設計

本系統將集成應用3S技術，將通過GPS獲得所需固定或移動監測站的確切位置，并可以將監測的數據利用通訊傳輸系統發送到信息控制中心，更新系統綜合數據庫;及時利用RS獲取監測流域的水體圖像，并通過水質模型監測水質變化，提早預警水污染的遷移過程;并利用GIS實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。實現監測數據的實時監控、無線傳輸、數據處理和實時顯示。

3.1 數據采集

數據采集終端主要完成環境污染信息自動采集、自動定位、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。

自動計量功能。能夠自動計量重點污染源污水排放量;自動實現水樣的連續等比例采樣;自動記錄和監控污染設施的運行。配備合適的傳感器，可自動完成PH、ORP、濁度、余氯、流量等參數的在線監測，自動完成環境信息的聯網傳輸和分析處理。

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絡，監控中心與監控終端的通信網絡根據實際情況采用中國移動GPRS網絡、中國電信CDMA網絡、3G、網橋通訊、微波通訊等，現場采集部分的通訊方式根據現場實際情況采用485總線、CAN總線或無線傳感器網絡等。本次研究以3G通訊和無線傳感器網絡為主。

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

此次設計的無線傳感器網絡與傳統的水環境監測系統相比，將有更大的優勢：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據的工作，增加了被測參數的實時性、直觀性和可靠性。