基于物聯網技術的智慧排水在線監測系統研究

劉甲軍 鄭春來 張衛見 管恩升

（山東正元地球物理信息技術有限公司，山東濟南 250014）

1 基于物聯網技術的智慧排水在線監測系統

基于物聯網的智慧排水在線監測系統如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智慧排水在線監測系統

物聯網的核心內容為互聯網，在此基礎上可完成后續工作，用戶端得到了大幅度擴展，可在人、物體間進行信息傳輸與交換，具有定位、監控、管理等多項功能。從通信對象與通信過程角度進行分析，物聯網的本質是將人、物之間的信息交換作為核心。

1.1 整體感知

物聯網中配備的智能傳感器、二維碼等設備可便捷獲取物體的信息，并進行整體感知。本系統終端傳感器采用多普勒流量計，測量種類包括流速、水深、水溫等，流速范圍為0.05～5.00 m/s（最小水深為15 cm）；流速測量的分辨率約為1 mm/s；水深測量分辨率為1 mm；工作電壓為DC12 V。通信采用MODBUS協議，通信接口為RS485，通過DTU連接到云端服務器進行數據交互。

1.2 智能處理

物聯網中應用了各項智能技術構建處理中心，可對獲取的龐大信息數據進行分類、整合、分析處理，具有較高的自動化與智能化特征，對人力資源數量需求較低，對人才質量要求較高，管理人員必須具備較為深厚的信息技術理論基礎知識、較強的操作能力，才能完成對物聯網系統的操控與管理。

1.3 可靠傳輸

智慧排水在線監測系統對信息進行感知與識別，對事物自身屬性或狀態的轉變與變化方式、變化規律等進行收集，通過監測系統對信息進行分析、提煉與加工，充分利用已感知和獲得的基礎信息，推斷更深層問題，產生、捕捉新的信息，并以此為依據完成決策制定，為人類生活與工作提供有力依據。

本系統采用數據傳輸終端為DTU，采用2G/3G（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、EVDO）網絡透傳；支持ZETA低功耗網絡；支持MODBUS協議，兼容各種設備；EMC國際認證；-35 ℃抗嚴寒，75 ℃耐高溫；CPU工業級32位通信處理器；5～36 V超寬電壓；5路I/O接口；支持遠程管理；FLASH 512KB（可擴展至64 MB）。

SRAM 256 KB對所得信息與結論等進行發送、傳輸與接收，將信息從一個空間點、時間點傳輸到另一個空間點、時間點，在此過程中，可保持信息數據不受損、不丟失、不遺漏，進而完成通信。

2 基于物聯網技術智慧排水在線監測系統的功能

我國部分城市中主城區管網系統使用的GIS管理模式可滿足城市排水系統的基本需求，實現較有效的排水管道管理，但其細節問題有待提升，如不具備業務分析功能，缺少較強的設備管理功能，管理系統存在許多空白，需要進行填補。進入21世紀后，隨著我國工業的飛速發展與城鎮化進程的推進，城市中產生的污水大幅度增加，對排水管道覆蓋率的需求不斷提升，現代化排水系統須具備更強的排水能力、污水處理能力。

我國部分城市中排水系統使用早期敷設的管道，易出現管道老化、破裂和淤堵等問題，過流能力在短時間內急劇下降，無法正常使用。對土地資源的開發與利用使排污量迅速增加，地區的實際排水量已超出規劃，對排水系統造成較大壓力。為了改變現狀，滿足社會發展需求，必須依托物聯網技術，構建完善的智慧排水在線監測系統，準確全面反映排水情況，對各處設備與管道進行有效監管與調整，并系統指導系統的維修養護與運轉。

我國部分典型城市在污水泵站運行過程中，存在兩方面問題。

（1）過于分散、不成體系的管理模式，導致排水管無法連接成為一個整體，在不同區域發揮作用，無法從整體角度進行宏觀調度。

（2）城市中部分低洼地區在降雨量較大時會出現溢流現象，引發城市內澇，目前系統無法根據實時監測數據進行預警。構建智慧排水系統，可對系統的相關數據進行采集與分析，構建完善、龐大的數據庫，通過動態模擬分析功能對排水管網的安全運行進行管理以及智能化監控調度，及時預警，正確應對和處理緊急情況。

排水系統中污水集中匯流處水量的突變點或降雨徑流的突然增加，可反映承壓情況和內澇風險，水位監測可反映枯水期管網的正常運行、雨天污水、內澇突發的特殊狀態。河流附近的截污干管存在滲漏和回流的風險，突水和回流稀釋了污水的水質濃度，可通過水位監測或水質監測，預測滲漏風險，立交橋、凹涵、低洼路段易發生內澇風險。通過水位監測和氣象數據的實時動態計算，可提前進行澇災風險預警預報。分支或大型合流排污口的進入，河流的關鍵斷面存在水量和水質突然變化的風險，可設置水量水質監測點，實時計算和控制河流中污染物的變化。

3 基于物聯網技術的智慧排水在線監測系統的基本構架

軟件架構如圖2所示，硬件架構如圖3所示。

圖2 軟件架構

圖3 硬件架構

3.1 傳感器

超聲波多普勒流速儀在管道、渠道或河流內測量水的流速的設備，主要應用于洪澇災害監測、污水排放、天然的河溪、市政給排水、水量流失滲入監測、灌溉流程監測、暗渠流程監測、道路排水監測、運河流程研究、江河流程監測等工作中。

傳感器安裝底座固定前，應在傳感器上方包裹2 mm以上厚度的橡膠套，可使用汽車內胎代替橡膠套，傳感器與金屬的卡箍、安裝底座之間采用橡膠套隔開。傳感器的出線必須采用PVC、PE、PR、鍍鋅管等進行保護，避免水流長期沖擊造成電纜開裂、脫出等情況發生，防止被異物碰撞后劃傷或割破。在保護管的保護下，線纜沿著渠道底部或渠道內壁由傳感器下游方向引出水面。傳感器背后出線位置，由于其長期處于水中，會被水流沖擊，需要對保護管進行妥善固定，并給予保護措施。

線纜直接被水流沖擊，會造成斷線、電纜外皮被磨爛等情況。傳感器自帶的一段通信電纜線內有通氣導管，不可將其彎折超過80°，當通信電纜線引出水面后，可接入普通的電纜線。此時應使通氣導管開口方向朝下，防止水及異物進入通氣管或堵塞通氣管。連接傳感器的電纜為RS485線纜或DC12 V線纜，RS485和12 VDC的線纜必須分開使用兩根2芯屏蔽電纜進行連接。

3.2 采集器

采集器連接傳感器，并對傳感器數據進行初步處理采集，通過RS485通信接口對傳感器進行數據采集，采集當前蓄電池的電量、環境溫度、開關信號、模擬量信號等參數，對采集的數據進行整理、分析、編輯、加工后，由4G通信模塊（DTU）傳輸到服務器。

采集器具有遠程控制功能，為防止傳感器因環境因素造成死機現象，可實現遠程重啟傳感器或定時重啟傳感器，以保證數據的準確性、可靠性。

3.3 通信模塊

通信模塊多使用于采集器和服務器之間，負責將采集器采集的各類傳感器的數據與服務器進行數據交互，后臺服務器將數據進行加工、分析、編輯、存儲。通信模塊可根據應用場景、應用情況進行靈活選擇。

3.4 接電

根據環境供電情況進行供電選擇，包括市電、太陽能供電、蓄電池供電等?？紤]到供電穩定與安全，配漏電保護開關與電源穩壓模塊，太陽能供電應配套相應的線路、蓄電池、充電模塊。

供電只可使用電池供電、太陽能供電，使用AC220 V電源進行市電供電時，需要使用線性電源轉化為DC12 V直流電，不可使用開關電源。在此過程中，應注意不要人為拉扯及甩動電纜、不撞擊傳感器殼體、不可將連接電纜作為承重線用于連接電纜懸掛重物。電纜須固定在渠道的水泥壁上，需要延長電纜時，應保證導氣電纜不進水、不折彎、不堵塞，并考慮天氣濕度等情況。DC12 V供電電纜可以延長至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽電纜；RS485輸出的電纜可延長至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽電纜。

4 物聯網技術智慧排水在線監測系統的挑戰與技術問題

4.1 物聯網技術的智慧排水在線監測系統的面臨的挑戰

在線監測設備的使用直接影響智能化排水系統感知層的有效性，影響實時調度決策。

（1）污水腐蝕。

設備一般置于排水管道中，需要與城市污水直接接觸，工業和生活污水均含有大量腐蝕性物質，會對金屬外殼等造成損傷，縮短設備使用壽命。

（2）水量不穩定。

排水管網中的不確定性因素較多，排水系統水量和水質并不固定，會在短時間內發生較大改變。

（3）雜質沉積。

城市污水包括工業、農業、生活污水等多種類型，成分復雜，包含大量不可溶物質，會在排水管道底部沉積，影響傳感器靈敏度、有效性。

（4）通信難度大。

排水系統需要覆蓋整座城市，范圍較廣，構建相應的通信設施難度較高，需要將無線技術與有線技術進行有機結合。

（5）視頻不清晰。

視頻監控設備主要應用各類攝像頭，以往使用的監控攝像頭清晰度較低，捕獲的監控畫面十分模糊，高清和超高清攝像頭可拍攝到清晰畫面，但其視頻畫面需要占據大量儲存空間。受限于以往的4G網絡，傳輸視頻速度較低，無法進行實時傳輸，進而無法實現實時監控，像素較高的攝像頭無法用于構建智慧排水系統。此外，以往的攝像頭一般使用抓拍，非動態錄像，監控效果不佳，可能會遺漏細節。

物聯網是一種新興技術，其安全問題存在較大隱患，由于其必須通過互聯網完成數據傳輸與交換，在構建智慧排水在線監測系統時，須注意網絡安全問題，防止來自外部的惡意攻擊與內部的錯誤操作，導致數據泄露?？蔀楸O測系統安裝防火墻，其具備完善的防護功能，可對多種類型的網絡入侵進行檢測，如木馬和網絡蠕蟲攻擊。防火墻具備反端口掃描，可精準判定服務工具，將對系統具有威脅的因素阻攔在外，禁止其訪問，抵擋外部攻擊。

除此之外，其可自主對物聯網運算中心的服務器運行過程產生與傳輸的信息進行收集記錄，記錄上網路徑和網絡使用情況，提高管理效率，保障系統的安全。應對監控系統的訪問權限進行嚴格管理，避免非法破壞和竊取行為，使用還原系統和數據儲存功能，可提高容錯性，避免工作人員的錯誤操作導致系統錯誤、數據損失。

4.2 物聯網技術智慧排水在線監測系統需突破的技術問題

應在現有基礎上對在線監測設備進行升級與優化，提高設備的抗腐蝕性、抗滲性等，對其進行有效保護，提高設備的靈敏度、耐久度、準確性、穩定性。視頻監控設備方面，需引入5G技術，有效提高網絡傳輸速率，將千萬像素的超高清攝像頭安裝在關鍵節點，獲得清晰畫面，并始終保持錄制狀態，進行不間斷拍攝，提高監控效果。

5 結語

基于物聯網技術的智慧排水在線監測系統，需要對城市所有的排水系統進行管理，形成統一整體，須構建標準化體系，采用統一的指令與標準，各項參數的顯示方式、各類成分的安全濃度等均應通過嚴格的討論，再進行決策，將相關參數錄入系統中，作為運行依據，確保物聯網中所有服務器均采用同一套運行指標。軟硬件更換、升級或業務流程、數據等發生變動時，應先確保系統的統一性，再進行整體層面的調度與更改。