基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測系統(tǒng)的研究

黃藍會

（寶雞文理學(xué)院計算機學(xué)院，陜西寶雞721016）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測系統(tǒng)的研究

黃藍會

（寶雞文理學(xué)院計算機學(xué)院，陜西寶雞721016）

針對當(dāng)前渭河流域檢測水文設(shè)備不足、各監(jiān)測站數(shù)據(jù)無法共享的情況，提出了一套有效可行的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用水質(zhì)檢測裝置和河道采砂檢測裝置進行環(huán)境檢測，同時配合無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至遠程服務(wù)器存儲。本系統(tǒng)已經(jīng)通過國家實用新型專利審批，實際測量數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)符合正常范圍。

物聯(lián)網(wǎng)；河流檢測；嵌入式技術(shù)；傳感器

對河流的氣象、水文、水質(zhì)等監(jiān)測近年來越來越為人所關(guān)注，河流水資源整體的保護、調(diào)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(zhèn)、交口、渭南、陳村、華陰、吊橋6處；投入和使用的渭河干流水質(zhì)監(jiān)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(jiān)測站的投入和使用對渭河流域的監(jiān)測和保護起到了至關(guān)重要的作用。

由于水文站數(shù)量不足，無法全方位的監(jiān)控和調(diào)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(xiàn)象影響河道正常的行洪與泄洪，在突發(fā)洪水的情況下，管理部門無法及時調(diào)查取證，掌握實時動態(tài)［3_4］。因此發(fā)展微型河流檢測系統(tǒng)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(jiān)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(guān)技術(shù)

河流監(jiān)測技術(shù)是我國實現(xiàn)水文水利信息化的重要手段，它標(biāo)志著我國信息技術(shù)在水文、地質(zhì)災(zāi)害、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的水平。河流監(jiān)測技術(shù)主要涉及傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、存儲技術(shù)、信息處理技術(shù)以及人工智能等多種高新信息技術(shù)［7_8］。

物聯(lián)網(wǎng)是將傳感設(shè)備或智能儀表通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，進行信息交換，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念［9_10］。物聯(lián)網(wǎng)涉及的主要技術(shù)有傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)、云計算和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)［11］。

2　總體設(shè)計

該系統(tǒng)總體架構(gòu)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層［12］。在應(yīng)用層中主要進行數(shù)據(jù)采集、分析、決策，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；在網(wǎng)絡(luò)層主要是通過衛(wèi)星、移動通信以及互聯(lián)網(wǎng)三者結(jié)合的形式開展數(shù)據(jù)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(shè)備。

3　系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流監(jiān)測系統(tǒng)包括微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測站3和小型無人監(jiān)測飛行器4，還包括無線通信網(wǎng)絡(luò)5和遠程服務(wù)器6，微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測站3和小型無人監(jiān)測飛行器4分別衛(wèi)星定位裝置二322和攝像裝置一323，且振動傳感器321、GPS衛(wèi)星定位裝置二322和攝像裝置一323分別通過無線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠程服務(wù)器6發(fā)送震動信息、位置信息和視頻信息。小型無人監(jiān)測飛行器4內(nèi)設(shè)有GPS衛(wèi)星定位裝置三41和攝像裝置二42，且GPS衛(wèi)星定位裝置三41和攝像裝置二42分別通過無線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠程服務(wù)器6發(fā)送位置信息和視頻信息。遠程服務(wù)器6為電腦或智能手持設(shè)備。無線通信網(wǎng)絡(luò)5包括WIFI和GSM/GPRS。本系統(tǒng)通過微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測站3和小型無人監(jiān)測飛行器4接收信息，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)5發(fā)送給遠程服務(wù)器6，能實現(xiàn)自動監(jiān)測，避免了大量人力投入到一線的問題。

監(jiān)測站通過RS_232通訊口與裝入中國移動數(shù)據(jù)SIM卡的GPRS DTU傳輸模塊連接，監(jiān)測總站實時接收監(jiān)測子站發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線傳輸模塊把GPS衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)中，再經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，從而完成整個數(shù)據(jù)的傳輸過程［13］。

智能環(huán)境監(jiān)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(zhì)數(shù)據(jù)的采集，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給遠程服務(wù)器后再對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫并發(fā)送到遠程服務(wù)器備份。采集終端設(shè)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(wǎng)絡(luò)連接通過無線通信網(wǎng)絡(luò)5與遠程服務(wù)器6連接。

微型氣象站1包括氣象信息傳感器11、氣象數(shù)據(jù)采集器12和GPS衛(wèi)星定位裝置一13。智能環(huán)境監(jiān)測站3包括水質(zhì)檢測裝置31和河道采砂監(jiān)測裝置32。水質(zhì)檢測裝置31包括水質(zhì)采樣器311、水質(zhì)檢測儀312和水質(zhì)數(shù)據(jù)處理器313，水質(zhì)數(shù)據(jù)處理313控制水質(zhì)采樣器311采樣并經(jīng)水質(zhì)檢測儀312檢測數(shù)據(jù)，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠程服務(wù)器6發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。河道采砂監(jiān)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(zhì)數(shù)據(jù)，記錄下采集時間和變量信息，連續(xù)采集10次，進一步進行數(shù)字濾波處理后將數(shù)據(jù)平均值打包發(fā)送到遠程服務(wù)器。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

4　實驗結(jié)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(chǎn)總值都聚集在渭河流域，同時渭河也是寶雞市重要的農(nóng)業(yè)灌溉水源和川道地下水的重要補給水源，擔(dān)負著泄洪、維護生態(tài)平衡的重要任務(wù)，是寶雞市當(dāng)之無愧的經(jīng)濟社會發(fā)展生命線，然而，近年來由于氣候變暖，加之經(jīng)濟發(fā)展耗水量的急劇增加，渭河流域水資源嚴(yán)重短缺，水污染加劇［15］。

本文提及的智能河流檢測系統(tǒng)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(zhì)變化狀況，根據(jù)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(zhèn)橋、常興橋三個監(jiān)測斷面。依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838 2002），監(jiān)測項目共24項，根據(jù)水質(zhì)評價參數(shù)選擇的針對性原則、適度原則、監(jiān)測技術(shù)可行原則，結(jié)合渭河寶雞段所受納的主要污水類型及水質(zhì)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(shù)據(jù)的一致性，主要檢測如下3個數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)截圖如圖3所示，其中設(shè)備編碼1代表林家村站，編碼2代碼虢鎮(zhèn)橋站，編碼3代表常興橋站。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫截圖

將系統(tǒng)檢測平均數(shù)據(jù)與寶雞市環(huán)境監(jiān)測站2010年和2012年的原始數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)顯示，PH值3個監(jiān)測點數(shù)據(jù)持平，變化不大，系統(tǒng)檢測值處于正常范圍；DO值系統(tǒng)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(zhèn)橋點有升高，升高點也在正常范圍。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于虢鎮(zhèn)橋緊鄰市區(qū)，市內(nèi)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(tǒng)調(diào)查取樣值和2010、2012年對比，趨于正常范圍。

5　結(jié)束語

針對渭河流域?qū)氹u段水利檢測設(shè)備不足以及各個檢測站點數(shù)據(jù)無法實時共享的情況，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計了一套河流檢測系統(tǒng)，實時掌握各監(jiān)測點的實際水質(zhì)及采砂情況，該系統(tǒng)功耗低，可擴展，適用于多種工作模式，目前已經(jīng)在寶雞段部分監(jiān)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(xué)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用，數(shù)據(jù)挖掘。