基于物聯網的水環境智能監控分析系統

肖彥均,蘇世旭,郭永安

(南京郵電大學 教育部泛在網絡健康服務系統工程研究中心,江蘇 南京 210003)

基于物聯網的水環境智能監控分析系統

肖彥均,蘇世旭,郭永安

(南京郵電大學 教育部泛在網絡健康服務系統工程研究中心,江蘇 南京 210003)

闡述了一種基于物聯網的水環境智能監控分析系統。該系統包含前端信息采集、云平臺數據處理計算和用戶終端顯示三部分，該系統形成了一套基于物聯網的監測預警系統，和現有的水質環境監測形成優勢互補，滿足了環保部門以及大眾對水質情況監控的需求。

物聯網；云計算；水環境；實時監控

0 引言

水污染古來即有之，人類一開始就習慣把污水、污物傾入水中。但那時污染物質數量少，種類單一，水體可以自行分解污染物，水污染也并不是什么大問題。但是自從人類脫離了原始社會耕田種地的生活環境以后，尤其是進入城市化和工業化的社會后，水污染的問題就日益嚴重了。

現如今，隨著工業化與城市化進程的不斷加快，城市人口高度集中，人們對用水的需求也越來越大，對水質的破壞污染也越來越嚴重。對水質，特別是飲用水源地的水質監控與管理已經刻不容緩。而目前許多城市的水質環境監測點較少，加之信息化水平不夠發達，環境自動監測監控體系尚未形成，監控資源分散，系統集成共享水平低，難以滿足公眾詳細了解水質環境情況的迫切需求。因此，為實現監控資源統一管理、共享，更好地推進水質環境保護工作，人們迫切需要一套從前端傳感器信息采集、云平臺數據處理計算，到用戶終端監測信息顯示的系統，以實現水質環境的實時監測、遠程監控，了解主要河流水體水質，預警預測重大水質污染事故，保證類似2007年太湖藍藻污染事件不再發生。

1 系統簡介

該系統基于江蘇省環保廳“1831”工程，由前端傳感器信息采集、云平臺數據處理計算和用戶終端顯示監測三部分組成。本監測系統將無線傳感器網絡、移動通信網絡、專線三者同時應用于水環境監測領域，克服傳統監測方法的一些缺點，為水環境的監測提供了一種新的思路[1]。同時課題所研宄的無線傳感網絡的關鍵技術能夠很好地移植到其他無線監測領域。系統總體構架如圖1所示。

1.1 前端傳感器信息采集

前端傳感器信息采集模塊，實質上是一種基于ZigBee的無線傳感器網絡，之所以采用無線傳感器網絡進行環境監測，是因為無線傳感器網絡在環境多變、能源供應不足的一些自然場景有特殊的優勢。無線傳感器網絡不需要布設基站，其主要通過上千個智能傳感器節點的協同工作來獲取相關的環境數據。而這些節點的布置相對于傳統的監測站點的布置來說是比較容易的。因此利用無線傳感器網絡來進行水環境的監測，能夠克服傳統的監測方法耗費大、監測站點布置難等缺點[2]。

該無線傳感網由許多子網組成，每個子網由許多包含收集各類數據的傳感器的前端節點組成，每個子網中至少有一個協調器節點，協調器節點至少連接一個路由器節點，其網絡層管理網絡的拓撲結構為星型拓撲。

圖1 系統構架

前端節點的傳感器將所收集的水質狀況信息通過ZigBee網絡發送給協調器，協調器再通過路由將信息發送給ZigBee總網關，再由這一總網關將所監控到的全部信息通過移動通信網絡或專線發送到云平臺，進行數據處理分析。

1.2 云平臺數據處理計算

去平臺數據處理計算模塊的任務是數據分析與處理。云計算環境中所包含的服務器設備、網絡設備、存儲設備數量大，而監控系統所能監控的對象也會相應增多，監控規模也會變大。另外云計算可以實現集中控制的目標，即把傳統環境中所有的存儲設備、網絡設備、數據處理設備等統一到一個監控平臺進行管理，實現故障與異常的實時發現與通知。

監測數據通過網絡傳送到云平臺后，首先云平臺會根據數據的不同傳輸方式對傳輸所使用的協議進行解析，解析完成后提取、處理傳輸數據，將相關數據繪制成圖表，并確定相應數據是否超標。處理完成后，處理結果通過環保局專線發送的同時，也會發送給數據存儲模塊。數據存儲模塊對會對相應的數據進行分類備份，以便用戶之后的查詢。

1.3 用戶終端顯示監測

經過云平臺處理后的數據通過專線發送給用戶端的網關，用戶終端通過WiFi連上網關后，通過用戶端的AndroidAPP就可以對實時的水質環境數據以及海量的歷史數據進行直觀的監控，為科學分析環境污染趨勢、領導決策和行政執法提供有力的技術支持。

2 實時監控結果顯示

2.1 監測點基本信息

本文以用監測系統中的沙渚監測點為例，首先是監測點的基本信息顯示，主要包含監測點所在城市、環境區位、經緯度等信息，如圖2所示。

圖2 基本信息顯示界面

2.2 監測實時數據

監測實時數據包括采樣時間、出口壓力、各類化學物質含量、水溫、PH值、藍綠藻密度，可以直觀全面地了解監測點水質的實時情況，如圖3所示。

2.3 監測歷史數據

該系統可以實時調出歷史數據供用戶查詢，此處查詢的為2015-10-03到2015-10-18的歷史數據，由于數據較多，僅截取2015-10-15的數據。歷史數據的檢測指標與實時數據相同，方便用戶直觀地對比，如圖4所示。

圖3 實時數據顯示界面

圖4 歷史數據顯示界面

3 系統特點與優勢

3.1 價格低廉，網絡部署便捷，對水體影響小

相對于現有的水環境監測系統和人工采樣實驗室分析方法，該系統通過搭建無線傳感網，使設備和人工的費用大大降低。每個前端節點功耗低、輻射小，節點之間通過ZigBee組網進行水質監測數據傳輸，不需要布設電纜

和基站，對水環境影響小。

3.2 監測網絡可靠性高，適應性強，精度高，擴容性好

每個前端節點中包含多個傳感器，每個傳感器所檢測的數據種類都不同，通過云端對海量數據的處理與分析，使監測的精度較傳統的手段有大幅提高。同時前端無線傳感器網絡為智能組網，當某個節點出現故障后，無線傳感器網絡可以重新自動組網，適應性強。通過調整節點數量以及節點中傳感器的類型就可以實現對不同水域的水質監測，擴容性好。

3.3 采用云計算

3.3.1 實時業務響應

該系統前端采用的監測方法決定了監測的實時性，同時云端采用高效索引算法，智能化調度任務，可以滿足秒級信息處理響應。前端、云端、用戶終端三者通過專線和移動通信網連接，數據傳輸速度快，實現了實時業務響應。

3.3.2 歷史數據匯總

該系統使用云端存儲技術，通過放置在云端的服務器和存儲設備，可以做到原始數據實時入庫、生成索引，能夠對海量歷史監控數據進行匯總處理，并根據用戶端的需求將監控數據進行上報處理。通過與歷史數據對比，系統可以設置閾值，若有監測數據超標，則可以通過用戶端APP推送等形式進行告警。

4 結論

基于物聯網的水環境智能監控分析系統運用了無線傳感網絡、ZigBee組網、云平臺大數據處理等先進的信息采集、傳輸、處理技術，利用物聯網思維結合空間數據，構建高效、穩定、通暢的環境信息化管理系統。該系統實現了監測點水質實時監測、多途徑數據傳輸、海量數據云端處理、報表系統分析顯示等功能，為監測點水質的保護和利用提供了數據支持，是水質監控領域的探索和實踐[3]。

[1] 吳烈國. 基于無線傳感器網絡的水環境監測系統研究[D]. 合肥：中國科學技術大學, 2014.

[2] 夏宏博． 面向水環境監測的無線傳感器網絡監測節點設計[D]． 杭州：杭州電子科技大學，2009．

[3] 張蕊, 王智. 江蘇省環境監控系統集中式地表飲用水源地水質自動監控系統的建設與應用[J]. 江蘇科技信息, 2014(1):47-49.

The design of doorbell response monitoring system based on the dynamic DNS

XiaoYanjun,SuShixu,GuoYongan

(EngineeringResearchCenterofUbiquitousNetworkandHealthServiceSystem,MinistryofEducation,NangjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nangjing210003,China)

ThispaperdescribedanintelligentmonitoringandanalysissystemofwaterenvironmentbasedonInternetofThings.Thissystemincludesthreeparts:frontendinformationcollection,Cloudplatformdataprocessingandcalculation,anduserterminaldisplay.Thissystemandtheexistingwaterqualityenvironmentalmonitoringwouldgetcomplementaryadvantages.Itwouldmeettheenvironmentalprotectiondepartmentandthepublic’sdemandforwaterqualitymonitoring.

InternetofThings;Cloudcomputing;waterenvironment;real-timemonitoring

TP

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.027

肖彥均,蘇世旭,郭永安. 基于物聯網的水環境智能監控分析系統[J].微型機與應用，2016,35(22)：102-104,107.

2016-06-28)

肖彥均(1992-)，男，碩士，主要研究方向：電子與通信工程。

蘇世旭(1991-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信息系統。

郭永安(1988—)男，博士研究生，主要研究方向：寬帶無線通信。