村鎮河道水質在線監測系統的設計與實現

彭 程，吳華瑞＋，繆祎晟

（1.北京農業信息技術研究中心，北京100097；2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097；

3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京100097）

0 引 言

目前水質監測［1］包括實驗室監測和自動監測站監測。實驗室監測分析精度高，但監測周期長，人工勞動強度大，數據獲取效率低，難以保證所測數據的時效性；自動監測站主要由設立在河流、湖泊等流域的水質監測設備采集現場數據，由于監測站位置固定，監測范圍較小，無法實現對流域整體的連續動態規?；谋O測，難以全面掌握水資源狀況［2，3］。村鎮地區河道流域的排污特點是小規模、隨意性、突發性，人工或站點監測難以準確確定排污的時間、總量和對水體的影響等，監測與管理難度大，不能適應新形勢下水環境管理的工作需要。

本文針對村鎮河道水環境自動化系統化規?；谋O測需求，結合物聯網和WebGIS技術，研究設計了全流域自動化的村鎮河道水環境質量監測系統，詳細介紹了系統的總體架構、水質監測設備的結構框架、水質在線監測平臺的功能設計、水質監測信息的空間可視化方法和異常狀態的時空關聯監測方法。

1 關鍵技術

1.1 物聯網

物聯網是新一代的信息技術，融合了無線網絡、電子射頻、人工智能、云計算、嵌入式等技術，目前已廣泛應用在醫學、工業、交通、環保等各種行業。物聯網以感知為基礎，把各種信息傳感設備組成傳感網絡，將所獲取的各種信息經由通信網絡的傳輸，送達集中化的信息處理與應用平臺。通過應用物聯網技術，可以滿足水質監測信息實時可靠的遠程數據傳輸、靈活多樣的網絡接入和隨時隨地地移動應用的需求，從而為水環境質量監測提供智能化的解決方案［4，5］。

1.2 WebGIS

WebGIS是基于Internet技術標準和通信協議的網絡化地理信息系統，它以Web頁面作為界面，向Internet用戶提供各種GIS服務。其特點包括：①廣泛訪問：采用TCP／IP協議，利用通用的瀏覽器提供地理信息服務，實現不同國家和地區的空間信息共享；②降低成本：客戶端無需安裝軟件，大大降低了用戶的使用成本；③操作簡單，用戶可以不具備專業知識即可獲得地理信息服務，而不用關心空間數據庫的管理和維護［6］。WebGIS 在空間框架下實現了圖形、圖像數據與屬性數據的動態連接，特別是基于富客戶端的WebGIS，既有桌面應用程序的交互性，又具備傳統Web應用程序部署的靈活性，具有人機交互能力強，用戶體驗豐富的特點［7，8］，為水質監測信息的網絡傳輸、地圖可視化、空間分析等提供了技術支撐。

2 系統結構設計

村鎮河道水環境質量在線監測系統運用物聯網的物物相連，通過部署在河道上的數據采集傳感設備采集水環境質量信息，然后收集數據至在線監測平臺進行存儲和分析，WebGIS提供結合空間位置的圖屬查詢、實時數據地圖可視化和專題制圖。系統主要由感知層、網絡層和應用層三大部分組成，系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

感知層：在村鎮的河道進出口、固定排污點、重點監控斷面以及部分河道彎度大，水流不暢等區域部署水質自動監測設備，完成水溫、pH、濁度、溶解氧、電導率等參數指標的自動采集，為河道流域的水質狀況提供基礎數據；網絡層：負責將采集到的信息迅速可靠地傳輸到應用層?？紤]到數據實時性、傳輸安全性的要求，水質在線監測數據傳輸方式優先選用GPRS傳輸方式，具備投資小、安裝靈活、維護方便的優點；應用層：在線監測平臺負責系統的用戶應用，將監測到的數據進行存儲、處理、統計、分析、匯總及圖形顯示，為用戶提供統一的平臺應用入口［5］。LED 監控屏主要以表格的形式顯示水環境的實時信息，用于戶外的信息發布和展示。Web頁面用于向管理人員和公眾發布監測信息，實現水質信息的查詢和共享。

3 水質自動監測設備

針對村鎮河道排污規模小、突發性高的特點，結合水污染的流動性、擴散性，為滿足流域較大范圍的實時監測要求，水質自動監測設備應具備低功耗、可靠穩定、存儲容量大、運算速度快的特點。

水質自動監測設備以嵌入式MSP430 處理器為核心，利用其高效的內核性能和豐富的外部接口構造一個嵌入式平臺［9］，集成水質參數感知、網絡通訊、電源適配等多個單元模塊，設備硬件結構如圖2所示。處理與控制單元包含CPU、存儲模塊、時鐘模塊、模數轉換模塊等，主要采集各傳感器經變送單元輸出的電壓、電流信號，經模數轉換得出對應數字信號，按照各傳感器的感知特性進行轉換，得出各感知參數的測量值，完成數據的處理壓縮、指令解析以及各單元模塊的工作調度控制等。水質參數感知與變送單元由各類水質傳感器和超聲波清洗元件組成。水質傳感器包括水溫探頭、pH 值探頭、溶解氧探頭、電導率探頭等，負責各種水環境參數信息的采集；超聲波清洗元件用于清潔傳感器探頭，避免因水體雜質、水生藻類或微生物對探頭的覆蓋或污染造成參數測量不準；信號變送模塊將各類型傳感器的測量值轉化為電信號。網絡通訊單元兼容3G／GPRS／Wifi等多種傳輸方式。GPS 模塊用于監測設備的定位。電源適配單元完成不同輸入電壓的轉換適配，為監測設備各單元提供能量供給。

圖2 水質自動監測設備硬件結構

4 水質在線監測平臺

水質在線監測平臺負責將設備實時采集到的水環境數據存儲到數據庫，通過最終的應用系統向管理部門提供水質數據的實時監測、異常報警、統計分析等功能，向公眾、企業等提供實時的水質信息服務。平臺利用MyEclipse開發，采用J2EE 中的SSH 框架搭建，數據庫采用MySQL，前端采用Flex、Ajax等富客戶端技術，WebGIS功能基于百度地圖API開發實現。

4.1 功能設計

水質在線監測平臺包括4個子系統：水質數據管理子系統、水質監測分析子系統、監測設備管理子系統和Web－GIS子系統。每個子系統的功能如下：

（1）水質數據管理子系統：負責接收所有水質監測設備上報的監測數據，進行存儲、檢查和處理，完成整個平臺水質監測數據、水環境基礎數據、監測指標數據、用戶信息等的維護和管理。

（2）水質監測分析子系統：提供實時監測、歷史數據、統計分析、異常報警等功能。實時監測將水質監測設備采集的各類水質數據 （pH、溫度、溶氧、電導率、濁度等）實時在網頁端和LED 屏實時展示，為用戶提供24 小時不間斷的水質信息。統計分析提供所有監測歷史數據的瀏覽查詢，以統計圖表的方式提供各監測點的數據匯總分析、數據指標差異對比等。通過橫向和縱向的比較，橫向指不同監測點同一時間段的匯總信息，縱向指同一監測點在不同時期的比較，直觀地反映監測點的水質變化趨勢［10－12］。異常報警在當任意監測設備出現參數超閾值情況時，通過網頁報警和短信報警的方式向管理人員發布報警提示，管理人員可以立刻判斷出是哪個或哪些監測點出現了何種水質異常，并據此迅速采取相應的應急方案。

（3）監測設備管理子系統：設置監測設備的基本信息、監測周期、報警閾值等參數，在發生水質異常時，對設備的空間位置和采集監測時間進行總體計算與調度，控制完成各監測設備的時空關聯采集感知。

（4）WebGIS子系統：基于百度地圖API，采用電子地圖方式顯示各水質自動監測設備的地理位置和實時數據，實現GIS的基本功能如放大、縮小、漫游等，實現空間位置與屬性數據的雙向查詢，提供水質指標數據的專題制圖，并支持水質異常狀態的報警提示。

4.2 水質監測信息地圖可視化

百度地圖JavaScript API是一套基于JavaScript／Ajax等技術的公共地圖服務應用程序接口，開發者利用HTML和Javascript，可以構建功能豐富、交互性強的地圖應用［13］，使用者無需安裝任何軟件，地圖功能請求均由百度服務器運算后返回客戶端。基于百度地圖API的水質監測信息地圖可視化步驟如下：

（1）首先注冊獲取百度地圖API的密鑰，在＜script＞標簽中加入密鑰的使用代碼；

（2）初始化地圖要素，在百度地圖容器中創建一個地圖實例，并設置地圖中心點的坐標和地圖級別，代碼如下：

其中，longCenter，latCenter分別為中心點經緯度坐標，17為地圖級別；

（3）加載地圖操作基本控件：包括平移縮放、比例尺、縮略地圖、滾輪、地圖類型等控件，完成地理信息系統的基本功能操作；

（4）加載水質監測信息：百度地圖將標注、矢量圖形元素、信息窗口等所有疊加或覆蓋到地圖的內容，稱為地圖覆蓋物［14］。首先添加水質監測設備的標注圖層，應用覆蓋物類Icon定義標注的圖片大小、位置等相關屬性，然后用Marker類創建一個設備標注實例，語句如下：

設備的經緯度坐標通過GPS定位模塊獲得。由于根據相關規定，百度地圖對地理位置進行了加密措施，所以其坐標值與實際的GPS坐標點存在偏移［13，14］，需要通過坐標轉換接口進行轉換，將設備獲取的真實經緯度轉成百度坐標。在此基礎上，從后臺數據庫查詢該設備采集到的水質指標數據，通過代碼動態輸出在InfoWindow 信息窗口。

（5）水質指標專題制圖：專題地圖通過餅圖、柱狀圖等表達形式，形象直觀地反映地圖的主題要素，是一種有效的地圖可視化方式。根據所選的水質指標，如濁度，查詢數據庫獲得各個監測設備在某時間點的濁度數據，進行等級劃分，根據指標數值設置成不同大小的餅圖或柱狀圖進行標注，最后疊加顯示在底圖上。

4.3 異常狀態的時空關聯監測

現有的水質監測設備大多為獨立管理，設備按各自時間間隔定時進行感知監測，對于流動性、擴散性強的水污染不能有效的監測污染峰值、擴散情況，本文提出一種異常狀態下監測點時空關聯采集感知方法。

水質自動監測設備的工作狀態分為正常監測模式和特殊監測模式。在正常監測模式下，設備按預設的周期間隔進行水質參數的采集監測與數據回傳上報。當某監測設備監測指標超出閾值時，設備轉入特殊監測模式，監測平臺通過密集采樣的數據判斷當前監測點污染物的狀態，用以決定其它鄰近監測點的監測策略以及報警級別。

首先設備管理子系統根據當前各設備的空間位置分布和河道流速情況，對污染物流向和擴散的時間、位置進行估算，控制各監測設備在污染物預計到達各監測點的時間前后進行密集采集監測。按河道水流方向，污染物每到達一個監測點，便由監管設備管理子系統根據最新的數據重新估算下游設備的關聯采集時間。污染物已到達區域的自動監測設備在監測設備管理子系統的調度下維持在特殊監測模式，根據最近三次監測指標判定污染物濃度是否上升。如上升，則維持密集采集，如未上升，則逐步延長采集監測時間間隔，直至設備恢復正常監測模式。

正常情況下的水質監測時間頻度較低，對于村鎮河道小規模、零散性生活污水容易造成漏檢，該方法在出現污染源后，對污染物擴散情況進行計算估計，并進行針對性的密集采集監測，使監測數據能夠完整體現水質的變化情況。

異常狀態下監測點時空關聯采集感知方法如圖3所示。

圖3 異常狀態下監測點時空關聯采集感知方法

5 系統實現

根據上述的設計思路，研發了村鎮河道水環境質量在線監測系統，系統在浙江奉化運行，使用效果良好。感知層水質自動監測設備實時自動采集河道的水質量監測數據，克服了以往人工和監測站采集的數據效率低、無法連續動態地采集的缺陷。水質在線監測平臺通過查詢統計、地圖可視化等手段，方便實時地反映村鎮河道整體的水環境狀況。WebGIS 功能基于百度地圖API開發，克服了傳統地理信息系統搭建復雜、建設維護成本高、數據獲取困難的缺點，具備客戶端表現豐富、交互性好的優點。在出現水質異常時，平臺根據設備的分布位置和當前流速，對污染物到達各監測點進行預估，通過指令遠程控制各監測點，在預估時間前、中、后進行密集采集，最大程度上體現污染物的流動、擴散狀態，還原水質真實情況。圖4 （a）為LED 屏截圖，圖4 （b）為監測指標數據的統計分析截圖，圖4 （c）為水質監測信息的WebGIS截圖。

圖4 村鎮河道水環境質量在線監測系統界面

6 結束語

村鎮河道水質在線監測系統是以物聯網為基礎，綜合運用現代傳感器技術、自動控制技術、無線網絡、計算機應用等多種手段，形成的全流域自動化網絡化智能化的水質監測系統，具備多點實時在線監測、異常狀況自動報警、時空關聯監測感知、空間可視化等特點，實現了對流域整體的連續動態規?；谋O測。系統的建立擴大了水質監測區域，提高了水質監測的準確度、實效性和異常報警的及時性，有效實現了水環境信息的實時監測和遠程共享，為管理部門的科學管理和宏觀決策提供技術支撐。

本文提出的異常狀態下監測點時空關聯采集感知方法，針對村鎮地區河道流域的小規模、突發的排污特點，在水質異常時，根據流速和監測點位置進行污染物擴散估算，通過指令遠程控制各監測點，進行針對性的密集采集，克服了傳統監測方法水質信息采集在連續性動態性方面的局限性，能夠最大程度地反應水質真實情況。

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