在線水質監測系統設計與實現

三亞學院 崔瑞秋 梅 翔

三亞學院翟明國院士工作站 三亞學院 辛光紅 楊 波

本文闡述了基于云平臺的在線水質監測系統設計與實現，研究主要集中在監測浮臺設計和云平臺的數據模板搭建與終端到云平臺之間信息傳輸的實施。利用現有的云平臺搭建了個性化需求的水質監測系統，使用串口模擬與串口調試軟件來模擬云平臺與水質監測終端之間的數據傳輸，并以數據可視化的方式直觀展示水體數據。針對水質監測方面需求的云平臺系統，通過現場檢測和實時在線監測相結合，配合信息化系統和應用終端，幫助環保系統集成商或有關部門及時、準確地掌握水質信息，為預警預報重大流域性水質污染事故，監管污染物排放，以及監督總量控制制度落實等提供幫助。

隨著經濟的不斷發展，水環境污染，水質日益惡化的問題日益明顯。未經處理的工業廢水與生活污水排入水環境，不僅會危害人體健康，更會破壞水體的生態平衡，造成嚴重的環境問題。此外，水體情況與水體中的污染物成分越來越復雜，對于檢測的需求也更加多樣化。在物聯網技術趨近成熟的當下，開發適合國內水質監測特點的在線監測系統勢在必行。

在線水質監測系統中，各類水質監測設備通過有線或無線的通信方式將監測數據實時發送到水質監測中心的監控平臺上。隨著新監測區域和站點的不斷出現，觀測的數據量也會越來越多，對監測中心服務器的存儲和計算能力有著較高的要求。同時要求監測中心的平臺具有良好的可擴展性和性價比，這些特征要求監測系統必須與云計算技術相結合。

1 研究的技術路線

本研究在總結現在水質在線監測設備的基礎上，優選跟城鎮內河（湖）水質相關的監測指標，并根據選擇的指標進行水質在線監測設備的研制，能夠實現監測數據的實時無線傳輸功能，并開發數據接收、分析和管理的軟件平臺，能夠實現水質監測數據的自動記錄、自動數據上傳、自動預警功能，同時滿足數據的集成共享和數據對接功能，以達到構建城鎮內河（湖）水環境質量監測大數據平臺的目的，可為生態文明建設、生態環境保護、生態環境質量考核等提供技術支撐。具體的技術路線如圖1所示。

圖1 研究的技術路線

圖2 浮臺主體結構

圖3 通信傳輸網絡拓撲

2 浮臺主體設計

浮臺主體結構主要包括水質在線監測傳感器、內筒、外筒、泡沫內芯、防水半球罩、信號燈、太陽能電池板、蓄電池等部分構成。浮筒外筒用于保護水質傳感器，且外筒下部開有透水窗，保證被監測水體在傳感器周邊的正常流通，確保水質的原位監測需求。浮筒內筒為防水結構，內裝有泡沫內芯，起到調節整個浮筒重心和浮力的作用，保證整個浮標體在水面的的正立姿態及調節傳感器監測水深的作用，同時，泡沫內芯開有電池安置空腔，用于供電系統中儲能電池的放置。太陽能電池板和蓄電池為整個裝置的供能單元，信號燈為裝置設備運行各狀態的指示燈和警示燈。防水半球罩用于保護太陽能電池板及內部電子元器件，使其免受風浪及外落雜物的干擾。浮臺主體結構如圖2所示。

3 在線監測系統設計

該系統硬件由供電系統、數據采集處理兩大部分構成。供電系統由蓄電池組和太陽能光伏充電部分組成。太陽能產生的電能一部分驅動負載、一部分為蓄電池組充電。數據處理部分由控制器、通信模塊、數據采集模塊組成。太陽能ui采用產品化的太陽能供電控制系統，設計功率12V20W，容量連續工作7天，滿足海南連續陰雨天氣狀況設計。

3.1 在線監測水質傳感器

傳感器是在線監測裝置的核心組成部分之一，在線水質傳感器應符合國家標準方法或行業標準方法，鑒于在線監測設備長期運行和后期的運營維護考慮，所采有的傳感器應該盡可能的使用同一品牌的國內外知名產品，同時應該具有低功耗、可靠性強、測量精度高、運行成本低等特點，可以長時間的穩定運行。本研究采用統一集成了常規五參數（水溫、PH、溶解氧、電導率、濁度）及氨氮、化學需氧量（COD）等7個指標。

3.2 在線監測控制系統

本系統控制模塊主要功能是控制傳感器進行數據采集和數據傳輸。本系統設計采用MicroPython開源固件。MicroPython 是一個緊湊的電子電路板，提供一個低級的Python操作系統，可以用來控制各種電子項目。MicroPython包含了很多高級特性，比如交互式提示、任意精度整數、閉包、列表理解、生成器、異常處理等等。但它足夠緊湊，只需256k的代碼空間和16k的RAM就可以安裝和運行。本系統采用的MicroPython編程主要優勢在于操作簡單，不需要仿真調試，輸入代碼可以立刻看到結果。

3.3 數據采集模塊

數據采集模塊采用了標準RS-485和Modbus通信協議實現傳感器的可靠數據傳輸，兼容市場上大多數的水質數字傳感器，可擴展性強。RS-485通信使用差分信號傳輸，有效的抑制了共模干擾，排除了設備安裝過程中線纜、空間布局的差異等因素對傳輸數據的影響。數據傳輸采用了CRC冗余校驗，保證數據的可靠性。

3.4 數據傳輸模塊

當前常見的無線通信技術有Bluetooth、UWB、GPRS、GSM、Infrared(IR)CDMA、ZigBee、Wi-Fi和等RFID ，還有窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)通信。由于水質信息不會短時間內發生躍變，本課題充分利用NB-IoT的低功耗性能降低建設成本，由于系統的數據流向不需要過多的雙向通信，只需要云平臺單一的接收數據，因此在一定程度上減低了通信費用。數據傳輸模塊是通過NB-IoT技術無線傳輸，控制器將傳感器采集到的水質數據傳輸到云平臺進行數據儲存和管理，同時接受管理平臺發送的控制指令控制檢測裝置。通信傳輸網絡拓撲如圖3所示。

4 云平臺部署

基于云平臺的水質監測系統主要由三部分構成：水下觀測層，云服務平臺和應用層。其中水下觀測層由觀測站，水下網絡及在線水質檢測設備等物理儀器組成，負責收集，監控水質的各方面所需的數據，并第一時間無線通信的方式上傳到云服務器平臺的數據庫。云平臺可以為用戶儲存數據與計算數據，進行遠程監控，將數據反饋到應用層。應用層主要基于B/S結構，即用戶只需要安裝瀏覽器，便可以使用云平臺為用戶提供的一切服務，包括實現數據可視化，歷史數據可視化，用戶權限注冊以保證數據安全性，提供用戶訪問平臺的數據接口。以實現用戶在手機或電腦上就能遠程管理所有監測點，獲取各個基站發送的監測數據，包括基本信息、實時數據、歷史數據、統計數據、分析數據、報表、圖表等。同時將以圖的方式展示監測點的分布位置，可快速掌握轄區內被監管點的監測數據與預警情況。

圖4 運行實測圖

用戶需要自行編寫數據模板，填寫名稱，數據類型，寄存器地址等等參數。設備上傳的數據，采用Modbus RTU格式上傳至云平臺，本文中采用XCOM與USR-VCOM軟件進行模擬推送以測試基站推送數據與數據管理、數據可視化的效果。經過設置后，云平臺能夠以地圖和列表的兩種方式來管理水質監測終端設備收集到的信息。其中GPS地圖可以直觀地看到終端設備在地理位置上的分布，運作情況。而列表則可以以終端為單位，瀏覽每一個終端在不同時段收集到的全部數據，也能夠以數據模板為單位，總覽某項數據在不同終端上的全部監測結果，以此達到綜合分析水體狀況的目的，滿足多樣化的數據分析需求。

在云平臺收集到水體數據之后，能夠以可視化圖像的直觀形式來展示水體數據，包括設備數，報警數等等。同時可以將數據表格轉化為折線圖等數字圖像，直觀反映水質監測終端的水體溫度，酸堿PH值，微量元素在一日或更長時間周期內的變化。

5 云監測運行及測試

云監測可以提供有人通訊設備的全面監控，包括設備在線數，設備型號分布，及固件分布，設備實時報警信息等，提供全方位的設備狀態監控和數據可視化展示。云平臺及設備實測如圖4所示。

總結：本項目的研究實施得到了國家級大學生創新創業項目及海南中南標質量科學研究院的資金和技術支持。截止目前為止，本研究已研發成功水質在線監測裝置樣機，該樣機體積小巧，成本低，功耗小，能實現24h高頻次的連續實時采集及傳輸監測數據，長時間連續運行穩定，上線的水質在線監測數據管理系統能夠實現預設的各項功能，主要包括數據收集、數據計算、數據存儲、預警和報警、數據顯示與查詢、 數據匯總統計及推送、數據權限控制、管理權限控制、多設備查詢與管理和地圖定位和防盜等，初步滿足了預期設計要去。具備了在一定區域內全面設點、聯網、自動記錄、自動數據上傳、自動預警的在線監測裝置的要求，具備了搭建城鎮內河（湖）水環境質量監測數據管理平臺的基礎，能完成特定監測指標的預警功能。本設計水質檢測裝置及數據管理系統，除了應用于城鎮內河（湖）、水庫等水體的水質在線檢測和預警以外，在其他水體的水質和水文變化趨勢，黑臭水體治理、藍藻爆發預測，河流生態的水文機制，湖泊、濕地生態狀況和功能生態修復及評價，水利工程對生態系統（水質、物質循環、泥沙淤積和生物多樣性等）的影響，水文水質對水產養殖的影響以及突發性污染事件檢測和預警等諸多方面，都將具有廣闊的應用前景。