基于無人船的水環境監測物聯網研究與設計

項慧慧，王吉祥，徐 森，孟海濤

(鹽城工學院 信息工程學院 物聯網工程系，江蘇 鹽城 224051)

0 引 言

生態環境保護是國家“十四五”規劃中一項重要內容。作為生態環境保護的中心，水資源是人類生存和社會可持續發展的最重要的前提條件。隨著中國城市化進程加快，城市規模越來越大，城市面臨十分嚴峻的水資源短缺問題。但與此同時，水資源現狀卻不斷惡化，由于工業廢水、生活污水亂排放等導致的城市水污染事件頻頻發生，嚴重影響城市居民生活用水安全。因此，建立水環境監測網絡，加強監測能力，提升水資源管理水平以維護水資源安全是一項亟待解決的生態環境保護問題。現有主要依靠人工檢測或固定站點監測的水環境監測方法，檢測周期長，時效性差，無法適應水污染事件應急處理需要，更無法做到預防水污染事件發生。

當前隨著物聯網技術與各行各業的深度融合，基于物聯網技術的水環境實時在線監測系統建設已成為智慧城市建設的重點工作。朱慧博等設計了基于固定傳感器監測點、WiFi通信技術和阿里云平臺的水溫、PH值參數管理系統。張娜等設計了基于GPRS通信技術和服務器模式的水質PH值固定監測系統。同時，利用無人船監測水環境的方法由于其靈活、安全、能代替人工完成危險或有毒水域的監測任務等優點，已經逐漸成為當前水環境監測的研究熱點之一。Cao Huiru等設計了一種可以采集不同深度水質的無人船水質監測系統。Zhang Wei等設計了一種基于無人船和分簇網絡結構的水質監測算法，以提高水質監測效率。王柏林等基于無人船和NB-IoT技術設計了一種采集PH值、溶解氧、水溫的水質監測系統。張鑫業等基于無人船和4G通信技術設計了一種采集濁度、溶解氧、電解質的水質監測系統。蔣星宇基于GPRS通信技術和無人船設計了一種采集濁度、溶解氧、酸堿度、電解質、氨氮化含量的水質監測系統。借鑒已有的研究成果，為了進一步提高水質監測的實時性和準確性，設計了一套基于無人船和5G物聯網技術的水環境監測系統。該系統能夠實時監測水體的PH值、濁度、溫度、視頻等綜合信息，通過5G物聯網技術傳輸至基于阿里云平臺搭建的水資源監測云平臺，相關管理人員或管理部門可以通過Web端、手機APP等方式管理水環境信息。

1 系統總體方案

1.1 系統總體架構設計

基于無人船的水環境物聯網監測系統總體架構如圖1所示，主要包括感知與傳輸層、智能決策層和應用層三個層次，具體由固定水質監測節點及無人船監測、水環境監測云平臺、遠程監控中心、手機APP監測終端四部分組成。感知與傳輸層由固定監測節點、網關節點和移動監測節點組成。監測水域內分布有若干個固定監測節點，分別采集與之對應的局部水域的水質參數并傳輸至網關節點；網關節點主要負責各監測節點采集數據的匯總并傳輸至水環境監測云平臺。為了彌補固定監測點監測方式不能適應應急監測需要的缺陷，該系統同時設計了基于無人船的移動監測節點，通過無人船船載水質監測節點采集水質參數，通過船載網關節點借助于5G物聯網通信技術將水質數據傳輸至水環境監測云平臺。為了更為全面地監測水質信息，在無人船監測節點上同時設計部署了船載攝像頭采集水域環境視頻。

圖1 系統總體架構

智能決策層由水環境監測云平臺構成，主要對采集的水質數據和視頻進行存儲、分析和管理，包括遠程監控中心用于數據存儲的水質數據庫和用戶數據庫、水質超限預警功能，從而為用戶的遠程訪問和移動訪問奠定數據基礎，提高服務器的運行平穩度和效率。

應用層主要實現監測系統與用戶的交互工作，管理人員或工作人員可通過監測網站或移動終端APP查看各站點的實時水質數據、歷史數據及水環境視頻。此外，若水質數據超限，移動終端APP可向相關管理人員手機推送預警信息。

1.2 系統部署及運行流程

系統部署及運行流程如圖2所示。待測水域部署有多個監測子網和無人船監測節點。固定和移動監測節點采集水質數據，由網關節點對這些數據進行匯總和封裝，借助5G物聯網技術通過AT指令將數據傳輸至水環境監測云平臺。水環境監測云平臺通過TCP/IP Socket通信讀取水質數據，并對其進行解析和處理，丟棄不必要的信息，然后按照統一的數據格式將水質參數存入SQL數據庫中。遠程監控中心采用Java Web技術搭建的水環境監測網站，方便工作人員查看待測水域的水質情況。此外，工作人員還可通過手機APP查看水質情況。

圖2 系統部署及運行流程

2 系統關鍵功能設計

2.1 無人船監測船系統設計

2.1.1 水質監測傳感器節點設置

以當前研究成果中使用較多的PH值、濁度、水溫等水質參數為測試對象，無人監測船通過無人船搭載PH值、濁度、水溫監測傳感器以及采集水域視頻的攝像頭，隨著無人船在監測水域的移動實現對監測水域水質信息及水域環境視頻信息的采集。無人監測船系統硬件設計如圖3所示。

圖3 無人監測船系統硬件設計

水質數據采集發送傳感器節點以CC2530處理器為核心，水質數據經由CC2530集成的低功耗、低速率ZigBee射頻模塊發送給網關節點。網關節點以CC2530和WiFi通信模塊ESP8266為核心，其中CC2530與水質數據采集傳感器節點的CC2530實現ZigBee組網接收水質數據，ESP8266模塊通過加入5G通信熱點的形式接入5G網絡轉發水質數據。根據水域覆蓋要求和無人船航速設置采集時間間隔Δ

t

(見公式1)，在無人船航行過程中，水質監測傳感器每隔Δ

t

時間采集水質信息數據并傳輸至網關節點。

(1)

同時，在無人船航行過程中，通過無人船上搭載的攝像頭采集720P 25fps高清水域視頻，由船載視頻采集模塊進行H.264編碼，然后通過5G通信模塊發送至水環境監測云平臺。

2.1.2 網關節點設計

網關節點的功能主要包括實現ZigBee通信技術到5G通信技術的轉換及與水質監測云平臺之間建立TCP/IP socket連接，主要由信號處理電路、ZigBee通信模塊、WiFi通信模塊及顯示屏組成(如圖3所示)。ZigBee通信模塊接收水質監測傳感器節點采集的水質數據，由微處理器給每一類水質數據封裝上代表不同含義的頭部(封裝格式如表1所示)并以“ ”換行符為間隔組裝，經由WiFi模塊通過加入5G熱點的形式，將數據通過 5G通信模塊傳輸至水環境監測云平臺。

表1 網關節點數據封裝格式

2.2 水環境監測云平臺

水環境監測云平臺需要支撐基于TCP/IP socket網絡通信功能、水質數據處理功能及Web網頁數據顯示功能，因此功能設計包括水質數據監測接口設計、服務器后臺響應接口設計及與Web前端數據交互設計。

水質數據監測接口基于TCP/IP socket網絡通信建立云平臺與網關節點之間的通信連接，接收網關節點轉發的水質數據，并存儲至數據庫中。設計方案如圖4所示。水質監測接口主要通過Socket套接字監聽組裝后的水質數據，使用readline()方法讀取網關節點轉發的水質數據。水質監測接口讀取數據后按照數據組裝規則進行字符串拼接截取，并通過set方法將提取的數據賦值給JavaBean以便于結構化地存儲到數據庫中。

服務器后臺響應接口設計的主要功能是處理前端頁面用戶發出的啟動監測指令及顯示實時水質數據、查看歷史水質數據等請求，及時對Web頁面及客戶端請求做出響應處理。

圖4 水質數據監測接口設計

2.3 遠程監控終端設計

遠程監控終端Web網頁使用JSP頁面模板引擎技術實現了實時水質數據、歷史水質數據的可視化顯示。點擊Web界面的啟動監聽、實時數據顯示、歷史數據顯示等功能按鈕發起請求，然后通過web.xml配置中心查找相應的邏輯處理，將對應的請求交給相應的Servlet處理類。Service層根據調用的處理類進行業務邏輯處理，再通過Dao層與數據庫進行數據交互，最后將處理結果返回至Web界面。總體設計方案如圖5所示。

圖5 Web網頁端與云服務器端交互設計

2.4 水質監測手機APP設計

基于Android平臺水質監測手機APP設計主要由HTTP協議與服務器端通信、對JSON數據流的解析及基于安卓原生控件的應用程序頁面組織構建三部分組成。使用Android中的ViewPage+fragment控件對應用程序頁面進行整體構建，通過WebView控件及HTTP協議與服務器端建立連接，在獲取數據流后進行處理并通過adapter適配器最終顯示在由LinerLayout構建的單個頁面中。基本頁面形式如圖6所示。

2.4.1 水質實時監測數據管理設計方案

當用戶點擊進入水質實時監測頁面，將通過HTTP協議與服務器端進行連接，并將獲取的數據動態顯示在頁面上。當用戶點擊進入歷史數據查詢頁面時，系統將獲取的數據以列表的形式顯示在歷史數據查詢頁面，具體流程如圖7所示。

圖6 頁面組織形式

圖7 數據顯示頁面系統設計

2.4.2 地圖顯示設計方案

調用百度地圖SDK，獲取當前水域位置，通過MapView控件顯示在手機頁面上，流程如圖8所示。通過訪問百度地圖服務和數據，構建功能豐富、交互性強的應用程序，從而更加清晰方便地展示目標位置的周邊環境，更直觀地反映水環境信息。

圖8 百度地圖定位流程

3 系統應用實例

系統測試及應用地點為校園內湖泊，在小范圍水域內測試了系統功能，測試結果如圖9所示。根據應用結果，該系統能通過遠程控制無人船采集水域環境水質數據和環境視頻并實時傳輸水環境監測云平臺，管理部門可以在監控終端或手機APP上通過水質信息和視頻全面監測水環境狀況，有效保障居民生活飲用水安全。

(a)實時水質信息

(b)水域環境視頻 圖9 測試結果

4 系統特色及應用前景

該系統設計通過固定節點監測和移動無人船監測相結合的水環境監測方法，并在物聯網云平臺基礎設施上構建了水環境監測云平臺，最終完成基于5G物聯網技術、物聯網云平臺和無人船的水環境監測系統研究與設計。該系統的主要特色有：

(a)該系統設計了包含固定節點監測和移動無人船監測的水質綜合檢測方法，除了可以采集《無人船船載水質監測系統》標準中規定的水質參數外，還設計了通過無人船船載攝像頭采集水域環境圖像及視頻信息，相比于現有基于無人船的水質監測系統僅采集水質數據的方法，更能全面反映水環境狀態。

(b)系統通過現場實時在線監測，配合信息化系統和應用終端，所設計系統結構及功能符合《無人船船載水質監測系統》標準。該系統設計有利于環保系統集成商或有關部門及時、準確地掌握水質信息，可為預警預報影響居民飲用水安全問題、監管污染物排放以及監督總量控制制度落實等提供幫助；也可以有效地結合當前國家大力推行的河湖長制度，明確環保責任。

(c)該系統設計了基于物聯網云平臺的水環境監測預警系統，可利用物聯網云平臺實現待測水域水質信息乃至全國范圍內水質信息的互聯互通，為后續水質評估工作構建統一數據平臺提供理論和實踐依據。

5 結束語

該系統利用無人船和5G物聯網技術進行水質監測，能在不適宜人工作業的污染較重的惡劣水域進行檢測水質，既可以有效減少人工作業量，提高作業效率，也可以降低作業風險，實現了水質監測系統的自動化、智能化和無人化，能夠有效保障城市中小水域水環境安全。應用實例也證明了該方案的可行性與穩定性。由于無人船采用蓄電池供電限制了其作業范圍，在后續開發中將考慮設計并開發太陽能電源控制模塊，進一步擴大無人船監測范圍，提高系統的可靠性。同時，后續工作中還需對城市內中小水域的應用環境進行實地測量和勘察，并完善無人船采水裝置、傳感器節點部署等設計，進一步增強系統的實用性。