基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)高效的新型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

王新鵬 房興剛

【摘? 要】水質(zhì)監(jiān)測是預(yù)防和治理水資源污染的重要技術(shù)手段，為解決我國水質(zhì)檢測存在的技術(shù)和設(shè)備相對落后、自動(dòng)化覆蓋面不廣、水質(zhì)監(jiān)測效率低下等問題，論文研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)高效的新型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測水溫、pH值、溶解氧和生化需氧量，并通過水面基站將所測數(shù)據(jù)信息上傳到水質(zhì)監(jiān)測云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，大大提高了檢測效率，減輕了水質(zhì)檢測人員的工作難度。

【Abstract】Water quality monitoring is an important technical means to prevent and control water pollution. In order to solve the problem of water quality detection in China， such as relatively backward technology and equipment， automation coverage， low efficiency of water quality monitoring， this paper studies a new real-time and efficient water quality monitoring system based on internet of things technology. The system can monitor water temperature， pH value， dissolved oxygen and biochemical oxygen demand in real time， and upload the measured data information to the water quality monitoring cloud platform through the surface base station， so as to realize real-time dynamic supervision of water quality， greatly improving the detection efficiency and reducing the work difficulty of water quality detection personnel.

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)監(jiān)測;低功耗;WebSocke

【Keywords】water quality monitoring; low power consumption; WebSocket

【中圖分類號(hào)】X84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）12-0194-03

1 水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 水資源現(xiàn)狀

近幾十年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，綜合國力顯著提高。與此同時(shí)，我國的生態(tài)環(huán)境也受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人們的生活環(huán)境也出現(xiàn)各種各樣的問題，如頻繁的霧霾、大面積的酸雨等。尤其是人們的生活用水以及飲用水緊張。地球上水資源總量為14億立方千米，淡水儲(chǔ)存量僅占全球總水量的2.53%，我國的淡水資源總量為2.8萬億立方米，居世界第六位，但人均水量只相當(dāng)世界人均占有量的四分之一，因此，淡水資源對我國來說尤為重要，水質(zhì)監(jiān)測更是重中之重。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測的重要性

水質(zhì)監(jiān)測，顧名思義是監(jiān)視和測定水體中的污染物的種類及其濃度以及變化趨勢，是評價(jià)水質(zhì)的過程。水質(zhì)監(jiān)測的主體大多為地表水和地下水，另外，還有一些生產(chǎn)生活中的廢水等。水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以為環(huán)境管理提供有利的數(shù)據(jù)和資料、為環(huán)境科學(xué)的研究提供重要的數(shù)據(jù)和資料等。

1.3 我國的水質(zhì)監(jiān)測方法

我國目前大多采用的水質(zhì)監(jiān)測方法是檢測人員到現(xiàn)場取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室采取定性定量的電極法、化學(xué)法來監(jiān)測，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還存在效率低、實(shí)時(shí)性差等問題，根本無法達(dá)到水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。為解決我國水質(zhì)監(jiān)測存在技術(shù)和設(shè)備相對落后、自動(dòng)化覆蓋面不廣、檢測效率低下等問題，研發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)高效的新型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對水質(zhì)監(jiān)測方面來說尤為重要。水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性會(huì)對環(huán)境管理和環(huán)境科學(xué)的研究帶來很多便捷，有利于我國對淡水資源的管理和利用。

1.4 自控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

近年來，自動(dòng)檢測與控制技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的作用得到了進(jìn)一步的重視，自動(dòng)檢測與控制技術(shù)的先天優(yōu)勢在智能化監(jiān)測中得到了充分體現(xiàn)。采用自動(dòng)檢測與控制技術(shù)，技術(shù)人員可以通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)pH值、溶氧量、水溫、水深變化的在線精確監(jiān)測，避免了手工測定的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、檢測結(jié)果不精確、存在人工干擾等缺陷。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的應(yīng)用，可以對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析和處理，為進(jìn)一步的生產(chǎn)或研究提供數(shù)據(jù)來源。

目前，無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展又為水質(zhì)監(jiān)測工作注入了新的動(dòng)力源。采用無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)出無線傳感器模塊，這樣就可以使得檢測設(shè)備的安置得到進(jìn)一步簡化、成本得到進(jìn)一步降低。而采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，又可以使得管理人員實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測過程的遠(yuǎn)程控制，這對于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有極其重要的意義。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)分為三個(gè)大的層面，包括智能感知層、智能傳輸層、智能應(yīng)用層（見圖1）。

①智能感知層：傳感器數(shù)據(jù)采集源，包括水溫、pH值傳感器等。可拓寬河道、水域的檢測范圍，提高對其狀況的了解程度。②智能傳輸層：針對水域或河道的環(huán)境狀況，數(shù)據(jù)傳輸方式可視環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)整，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。③智能應(yīng)用層：將所測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到中心管理平臺(tái)，通過可視化信息實(shí)現(xiàn)對水域或河道的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。同時(shí)，數(shù)據(jù)與其他管理部門可進(jìn)行共享，工作人員可利用這些信息完成對負(fù)責(zé)水域的治理，加速?zèng)Q策的制定與執(zhí)行方案的實(shí)施。

3 系統(tǒng)的技術(shù)線路

設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)分為三個(gè)大的層面，即智能感知層、智能傳輸層、智能應(yīng)用層。

3.1 智能感知層

鑒于設(shè)備長期工作在水下，故采用大容量鋰電池供電，配合超低功耗器件可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間不間斷工作。

3.1.1 主控設(shè)備

系統(tǒng)中的中控設(shè)備以STM32L151為核心，搭配PT100溫度傳感器、Odo-210溶解氧傳感器、Ads1247數(shù)模轉(zhuǎn)換器與高精度1MA恒流源等低功耗器件，采用大容量鋰電池供電方式，設(shè)備可連續(xù)工作兩星期以上。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集端

PT100溫度傳感器自帶溫度補(bǔ)償功能，其精度可達(dá)0.01℃，可以精確測量水中實(shí)時(shí)溫度。Odo-210溶解氧傳感器配有自動(dòng)補(bǔ)償功能，采用“動(dòng)態(tài)熒光淬滅”原理測量水中的溶解氧含量。Ads1247數(shù)模轉(zhuǎn)換器可在設(shè)備的低功耗工作模式下轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。

3.1.3 感應(yīng)探頭

感應(yīng)探頭，由大容量的鋰電池供電，實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間持續(xù)工作，采用了各種微小電路板，不僅降低了電能消耗，還達(dá)到了精準(zhǔn)探測。探頭表面非常光滑，使得探頭表面不會(huì)留下塵土。此外，探頭還能吸收水中微小雜質(zhì)，精度達(dá)到了±0.02～0.05的精確探測。

3.2 智能傳輸層

由于檢測系統(tǒng)大都浸泡在水中，所以要求各種設(shè)施有足夠的防水性、抗壓性以及抗腐蝕性，另外，由于監(jiān)控設(shè)施都集中在一個(gè)地方，各地方的數(shù)據(jù)都要傳送到這里，所以還要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，這就對傳輸層提出了很高的要求。我們采用了高防水、抗壓的細(xì)柔長線，克服了傳輸線路上的各種問題。另外，由于傳輸距離比較長，在每隔一定的距離都會(huì)安裝一個(gè)線路監(jiān)測系統(tǒng)，如果線路出現(xiàn)問題，它會(huì)第一個(gè)向控制中樞發(fā)出警報(bào)，并報(bào)告出在哪一路段出現(xiàn)問題，便于工作人員的檢測和維修。

由于水對無線信號(hào)的衰減嚴(yán)重，在所測水域設(shè)置水面基站，當(dāng)數(shù)據(jù)采集端完成對數(shù)據(jù)的采集后，通過485總線將數(shù)據(jù)信息上傳到水面基站，從而克服水對無線信號(hào)的衰減作用，保證監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。基站通過NB-IOT、GPRS/4G直接與云端服務(wù)器通信，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給云端服務(wù)器，云端服務(wù)器再通過中心管理平臺(tái)的可視化界面將數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。同時(shí)，終端也接收用戶通過云端服務(wù)器發(fā)送來的相關(guān)配置命令，實(shí)現(xiàn)對終端的參數(shù)配置。

3.3 中心云管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)信息通過智能傳輸層發(fā)送到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器與管理平臺(tái)采用WebSocket通信協(xié)議，在一次握手通信后，通過平臺(tái)中的Echarts數(shù)據(jù)圖動(dòng)態(tài)顯示給工作人員。

3.3.1 前端——可視化界面

利用時(shí)下流行的HTML5、CSS、Js完成前端的框架設(shè)計(jì)，搭配登錄模塊，工作人員與管理人員可隨時(shí)登陸查看水質(zhì)的實(shí)時(shí)信息。嵌入Echarts數(shù)據(jù)圖，平臺(tái)在拿到數(shù)據(jù)之后，自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，供Echarts實(shí)時(shí)調(diào)用，完成數(shù)據(jù)可視化。平臺(tái)還提供對智能感知層設(shè)備參數(shù)的配置功能，例如，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況配置報(bào)警參數(shù)。

3.3.2 后端——Node.js服務(wù)器

采用Node.js實(shí)現(xiàn)前后端的信息交互，搭配MongoDB數(shù)據(jù)庫對所測信息自動(dòng)存儲(chǔ)，供前端Echarts實(shí)時(shí)調(diào)用。服務(wù)器自帶反向加密機(jī)制實(shí)現(xiàn)對所測數(shù)據(jù)和用戶信息的保護(hù)。

4 系統(tǒng)簡介

水質(zhì)監(jiān)測是預(yù)防和治理水污染的重要技術(shù)手段，為解決我國水質(zhì)監(jiān)測存在技術(shù)和設(shè)備相對落后、自動(dòng)化覆蓋面不廣、監(jiān)測效率低下等問題，研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)高效的新型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測水溫、pH值、溶解氧和生化需氧量，并通過水面基站將所測數(shù)據(jù)信息上傳到水質(zhì)檢測云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對于水質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管。工作人員可不必親臨現(xiàn)場就能實(shí)時(shí)獲取負(fù)責(zé)區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)，大大提高了監(jiān)測效率，減輕了水質(zhì)監(jiān)測人員的工作強(qiáng)度。

5 結(jié)語

該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)和系統(tǒng)特色：

①無人監(jiān)測，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的24h不間斷檢測，并通過水面基站將數(shù)據(jù)信息傳送到中心管理云平臺(tái)。工作人員即使未親臨現(xiàn)場也能實(shí)時(shí)獲取負(fù)責(zé)區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)，提高了工作人員的工作效率。②低功耗工作模式，所用的主控板與數(shù)據(jù)采集芯片均為超低功耗器件，配合大容量鋰電池可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間不間斷工作。③通過中心管理云平臺(tái)可將預(yù)警信息以手機(jī)短信的形式下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對異常水質(zhì)污染數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)警功能，該云平臺(tái)還配有數(shù)據(jù)服務(wù)器，可對以往水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存并分析，為管理部門提供水質(zhì)治理的決策依據(jù)。④中心管理云平臺(tái)利用WebSocket協(xié)議，使得客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換變得更加簡單，允許服務(wù)端主動(dòng)向客戶端推送數(shù)據(jù)。在WebSocket API中，瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次握手，兩者之間就直接可以創(chuàng)建持久性的連接，并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

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