基于物聯網的智能河流檢測系統的研究

黃藍會

（寶雞文理學院計算機學院，陜西寶雞721016）

基于物聯網的智能河流檢測系統的研究

黃藍會

（寶雞文理學院計算機學院，陜西寶雞721016）

針對當前渭河流域檢測水文設備不足、各監測站數據無法共享的情況，提出了一套有效可行的基于物聯網的智能河流檢測系統。該系統利用水質檢測裝置和河道采砂檢測裝置進行環境檢測，同時配合無線通信網絡將數據傳至遠程服務器存儲。本系統已經通過國家實用新型專利審批，實際測量數據表明，該系統檢測數據符合正常范圍。

物聯網；河流檢測；嵌入式技術；傳感器

對河流的氣象、水文、水質等監測近年來越來越為人所關注，河流水資源整體的保護、調度與綜合利用成為必要研究方向［1_2］。陜西省以渭河為例，已投入和使用的大型干流水文站有拓石、林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣6處；水位站有耿鎮、交口、渭南、陳村、華陰、吊橋6處；投入和使用的渭河干流水質監測站有寶雞魏家堡斷面、楊凌斷面、咸陽斷面、渭南斷面4個；這些監測站的投入和使用對渭河流域的監測和保護起到了至關重要的作用。

由于水文站數量不足，無法全方位的監控和調度，而且各個水文站的信息沒有共享，針對采砂的檢測沒有完善，造成個別干流流域私自采砂現象影響河道正常的行洪與泄洪，在突發洪水的情況下，管理部門無法及時調查取證，掌握實時動態［3_4］。因此發展微型河流檢測系統勢在必行，通過采用各種高精度傳感器，將所采集到的信息傳送到后臺，小型監測站能最大程度地保證自動運行以減少維護費用和人力資源［5_6］。

1　相關技術

河流監測技術是我國實現水文水利信息化的重要手段，它標志著我國信息技術在水文、地質災害、農業生產應用的水平。河流監測技術主要涉及傳感器技術、嵌入式技術、通信技術、存儲技術、信息處理技術以及人工智能等多種高新信息技術［7_8］。

物聯網是將傳感設備或智能儀表通過網絡連接起來，進行信息交換，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念［9_10］。物聯網涉及的主要技術有傳感器技術、數據融合與智能技術、云計算和網絡通訊技術［11］。

2　總體設計

該系統總體架構分為應用層、網絡層和感知層［12］。在應用層中主要進行數據采集、分析、決策，并將數據通過網絡發布；在網絡層主要是通過衛星、移動通信以及互聯網三者結合的形式開展數據的采集和共享；在感知層中，主要涉及氣象信息傳感器、GPRS、遠程控制終端等設備。

3　系統設計

如圖2所示，基于物聯網的智能河流監測系統包括微型氣象站1、水文站2、智能環境監測站3和小型無人監測飛行器4，還包括無線通信網絡5和遠程服務器6，微型氣象站1、水文站2、智能環境監測站3和小型無人監測飛行器4分別衛星定位裝置二322和攝像裝置一323，且振動傳感器321、GPS衛星定位裝置二322和攝像裝置一323分別通過無線通信網絡5向遠程服務器6發送震動信息、位置信息和視頻信息。小型無人監測飛行器4內設有GPS衛星定位裝置三41和攝像裝置二42，且GPS衛星定位裝置三41和攝像裝置二42分別通過無線通信網絡5向遠程服務器6發送位置信息和視頻信息。遠程服務器6為電腦或智能手持設備。無線通信網絡5包括WIFI和GSM/GPRS。本系統通過微型氣象站1、水文站2、智能環境監測站3和小型無人監測飛行器4接收信息，并通過無線通信網絡5發送給遠程服務器6，能實現自動監測，避免了大量人力投入到一線的問題。

監測站通過RS_232通訊口與裝入中國移動數據SIM卡的GPRS DTU傳輸模塊連接，監測總站實時接收監測子站發送的數據。無線傳輸模塊把GPS衛星定位裝置收集到的信息通過附近的移動基站傳送到GPRS網絡中，再經由互聯網傳送到數據采集服務器中，從而完成整個數據的傳輸過程［13］。

智能環境監測站主要采用AVR Atmega128L微控制器，通過RS_232串口與GPRS模塊MC39i進行通信，主要完成對水質數據的采集，利用GPRS網絡傳送給遠程服務器后再對數據進行處理和顯示［14］。

采集終端被分配了唯一地址后將其地址信息存儲在數據庫并發送到遠程服務器備份。采集終端設備上電后各個功能模塊被初始化，同時開始GPRS模塊供電，然后判斷網絡連接通過無線通信網絡5與遠程服務器6連接。

微型氣象站1包括氣象信息傳感器11、氣象數據采集器12和GPS衛星定位裝置一13。智能環境監測站3包括水質檢測裝置31和河道采砂監測裝置32。水質檢測裝置31包括水質采樣器311、水質檢測儀312和水質數據處理器313，水質數據處理313控制水質采樣器311采樣并經水質檢測儀312檢測數據，并通過無線通信網絡5向遠程服務器6發送檢測數據。河道采砂監測裝置32包括振動傳感器321、GPS是否正常，如果正常，30分鐘采集一次水質數據，記錄下采集時間和變量信息，連續采集10次，進一步進行數字濾波處理后將數據平均值打包發送到遠程服務器。

圖1　系統總體架構

圖2　系統硬件設計

4　實驗結果與分析

渭河寶雞段以林家村寶雞峽大壩為界，隸屬渭河上游和中游段，全長224 km，占渭河總干流的27.4%。目前寶雞市96%以上的人口和93%以上的國民生產總值都聚集在渭河流域，同時渭河也是寶雞市重要的農業灌溉水源和川道地下水的重要補給水源，擔負著泄洪、維護生態平衡的重要任務，是寶雞市當之無愧的經濟社會發展生命線，然而，近年來由于氣候變暖，加之經濟發展耗水量的急劇增加，渭河流域水資源嚴重短缺，水污染加劇［15］。

本文提及的智能河流檢測系統于2015年底申請了國家新型專利，專利號為CN204730833U。為了較全面地反映渭河寶雞段水質變化狀況，根據該段河流的自然特征及整體污染特點，沿渭河流向自西向東依次選取了林家村、虢鎮橋、常興橋三個監測斷面。依據地表水環境質量標準（GB3838 2002），監測項目共24項，根據水質評價參數選擇的針對性原則、適度原則、監測技術可行原則，結合渭河寶雞段所受納的主要污水類型及水質污染的主要影響因素，考慮到某些項目未檢出和3個斷面數據的一致性，主要檢測如下3個數據，分別是pH，反映水體酸堿程度；DO值，反映水體自凈能力；BOD5，反映河流有機污染程度［5］。實驗時間為2015年10月30日，從上午9點開始，間隔1小時取樣一次，信息存儲到ACCESS數據庫，系統數據截圖如圖3所示，其中設備編碼1代表林家村站，編碼2代碼虢鎮橋站，編碼3代表常興橋站。

圖3　系統數據庫截圖

將系統檢測平均數據與寶雞市環境監測站2010年和2012年的原始數據進行對比，分析其偏差。具體如表1所示。

表1　渭河寶雞段2010、2012、2015年3斷面監測數據

檢測數據顯示，PH值3個監測點數據持平，變化不大，系統檢測值處于正常范圍；DO值系統檢測出只有林家沖點值較往年升高，其他兩個點均有不同程度的降低；BOD5值2015檢測值只有虢鎮橋點有升高，升高點也在正常范圍。通過調查發現，由于虢鎮橋緊鄰市區，市內生活廢水和垃圾排污主要集中于此，所以DO值逐年下降而BOD5值逐年上升。本系統調查取樣值和2010、2012年對比，趨于正常范圍。

5　結束語

針對渭河流域寶雞段水利檢測設備不足以及各個檢測站點數據無法實時共享的情況，利用物聯網技術和傳感器技術設計了一套河流檢測系統，實時掌握各監測點的實際水質及采砂情況，該系統功耗低，可擴展，適用于多種工作模式，目前已經在寶雞段部分監測點試用。

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Research on lntelllgent rlVer detectlon system based on lnternet of thlngs

HUANG Lan_hui
（Department of Computer Science，Baoji University of Arts and Science，Baoji 721016，China）

According to the need of the current rapid deve1opment of hydro1ogica1 monitoring system，The rea1 situation is the 1ack of equipment to measure hydro1ogy and Each monitoring station data can not be shared，this paper puts forward a comp1ete and feasib1e hydro1ogica1 monitoring systemso1ution based on Internet of things techno1ogy.The main function of the system is to carry out environmenta1 detection，and the main device of the system is water qua1ity detection device and a detection device of sand，at the same time with the wire1ess communication network can transmit the data to the remote storage server.The system has been approved by the nationa1 uti1ity mode1 patent.The experimenta1 resu1ts show that the system is in the norma1 range.

internet of thingsjriver detectionj embedded techno1ogyjsensor

TN6

A

1674_6236（2016）10_0080_03

2016_01_27稿件編號：201601258

國家自然科學基金（61379030）；陜西省教育廳專項科研項目（15JK1028）

黃藍會（1980—），女，湖南岳陽人，碩士，講師。研究方向：物聯網應用，數據挖掘。