基于物聯網的水生態環境智慧監測及管理系統

摘 要：針對傳統水質監測手段效率低下和實時性差的問題，研究利用現代通信技術和物聯網技術，對影響水資源的指標進行實時采集，動態監測，實現水環境的智慧監測和監控管理。首先，運用傳感器、傳輸網絡、智能聯動等技術，構建基于物聯網的水生態環境監測系統，實現對流域水生態水環境質量的實時、全面采集，提高水生態水環境保護管理決策的信息化水平。之后，著重研究、分析感知技術和傳輸技術，并對各類感知技術和設備的適用數據傳輸模式進行歸納，對在實際應用中可能實現的典型功能進行了系統研究。

關鍵詞：水生態水環境；物聯網；5G；智慧監測；RFID射頻；實時監測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

水是生態水環境的關鍵要素，水生態水環境的穩定與和諧關系著人類的生存與發展，尤其是水生態水環境的保護，對城鄉居民的人居環境與社會的發展至關重要。

從“十四五”開始，地表水環境質量監測向縱深方向發展，首先，監測范圍不斷擴大，由水環境監測向水資源、水環境和水生態“三水”統籌方向發展；其次，監測手段由傳統手工地面監測向人工智能化和天地一體化方向發展；再次，監測深度也將不斷延伸，由斷面水質現狀監測向污染溯源監測和監控預警監測方向發展。通過構建“透徹感知、全面互聯、智能分析、智慧應用、泛在服務、智慧運維”的物聯網監測和管理系統，以提高優化水資源管理，改善生態環境，服務社會經濟發展。

因此，發展智慧水生態水環境的物聯網監測、監控及預警分級技術，并根據預警分級提出相應的應對策略，對水資源管理及排污治理具有十分重要的戰略意義。

1 理論概述

1.1 水生態水環境概述

目前，國內對水生態水環境的研究側重于水資源的匱乏和水生態水環境的不斷惡化。水生態水環境的內涵主要是地表水、地下水以及與人類活動有關的領域，和人為建造的配套設施。

1.2 物聯網概述

物聯網是一種智能化的服務體系，它是由感知裝置按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、跟蹤、定位、監控和管理，是在互聯網的基礎上延伸和擴展的網絡。美國麻省理工大學于1999年提出物聯網的構想，提倡將無線射頻識別技術與因特網相結合，利用因特網推出“智慧地球”計劃，從而實現“萬物互聯”[1]。

在我國，中國科學院上海微電子與資訊科技研究所于2001年開始從事感測網絡技術的研究。中國智能感知中心于2009年在無錫建成，加速了物聯網技術的研究與產業化。同時，隨著網絡通信技術、微型傳感器技術在各行各業的廣泛應用，參與多個國際標準的制訂，標志著我國物聯網技術正處于飛速發展階段。

1.3 智能監控在水生態水環境中的應用概況

1990年以后，中國逐步運用智能化設備對水質進行動態監測，提高了水質監測的效率和數據更新速度。利用智能采集設備實時對水質的各項指標進行采集、傳輸、處理和應用。2000年以后，我國在長江地區建立了多個不同類型的由傳感器組成的多維監控網絡，利用物聯網智慧監測關鍵技術對水環境資源和水環境災害進行實時監控。2005年，我國在太湖流域建立了水質數據自動采集與應用系統，主要包括自動水質數據采集，自動浮標采集，藍藻移動情況采集以及遙感衛星采集，實現了水質數據動態監測和預警[1-2]。

2 水生態環境智慧監測技術

水生態環境智慧監測及管理系統總概括圖如圖1所示。

2.1 系統架構

水生態環境智慧監測技術的基本系統架構分為信息感知層、數據傳輸層和應用管理層，分別進行信息傳感、數據傳送和指令傳達。

信息感知層集成了不同類型的傳感器模塊，可實時采集各種水質指標，如溫度、重金屬、有害農藥、有害生物等參數；網絡層負責將采集的數據傳輸到處理中心，并將處理結果在終端顯示；應用層對處理結果進行邏輯處理，并實時監測和反饋。

2.1.1 信息感知層（數據采集）

信息感知層負責各種傳感器、采集設備、處理設備、傳輸設備之間的通信與協調，以保證感知層和傳輸層之間信息暢通。信息感知層主要通過傳感設備、識別讀寫設備進行攝像，識別物體、采集信息。利用成熟的RFID射頻技術、先進的傳感器技術將監測站采集的數據信息通過互聯網技術實現水生態環境監測數據的采集、處理和分析。水環境監測感知設備主要包括水質檢測儀、降水傳感器、水位傳感器、墑情傳感器、地下水監測儀等設備。在水質監測過程中，數據通過現場儀器、數采儀等傳送至數據中心，用于應用層；感知層的水質監測目標包括pH值、水溫、濁度、余氯、溫度、溶解氧、總有機碳、化學需氧量、氨氮、總磷、電導率。

隨著我國在核心技術領域的不斷突破和完善，高端處理芯片、高端傳感器網絡已取得可喜進展，為開展水質監測提供了有力保證。隨著5G技術的推廣與應用，越來越多的具有自主知識產權的水質監測設備不斷涌現，為水質監測提供實時保證和技術支撐。

2.1.2 數據傳輸層（數據傳送）

傳輸層把實時采集的信息進行傳輸和互聯，在水環境監測應用中，其作用是把環境信息快速、可靠、安全地進行傳送；由于水質監測系統監測地域廣，采集點多，采集區域情況復雜，故系統綜合采用衛星網絡、互聯網、5G網絡、WiFi網絡構建多位一體的綜合網絡體系。采用適宜高效的網絡管理方式對網絡資源進行調配、管理與維護，以保證監測數據的實時傳輸與快速處理；在水環境監控系統中，傳輸層用于連通各關鍵節點，為采集的水環境水資源數據快速處理提供可靠保證。

2.1.3 應用管理層（數據分析及預警分級）

水環境物聯網應用管理層主要包含基礎應用采納推送和數據分析報送功能。基礎應用采納推送提供水環境物聯網信息底層感知、信息數據采集、歸類及推送功能，通過云計算技術、數據挖掘技術、數據可視化技術對信息數據進行分類、存儲、分析及推送；數據分析報送通過已建立的水環境水資源分析預警模型對數據進行分析處理，并對數據進行預警分級，根據預警級別推送改進措施和建議。

2.2 基于物聯網的水環境監測系統關鍵技術

2.2.1 水生態環境感知技術

水生態環境感知技術是從各種復雜傳感器網絡中獲得數據。感知層是由多種以傳感器為核心的監控儀器和傳感設備構建而成。目前廣泛應用的為物理傳感器和生物傳感器。物理傳感器通過光、電交互的方式實現，無需加入任何試劑，耗時較短。生物傳感器則通過直接收集被測物體與生物之間交互作用而生成的反應信號來進行針對性監測，因而其具有高敏感性，但其穩定性差、成本高，制約了此類傳感器的發展。

水生態環境感知技術主要由網絡結構、網絡節點、網絡協議以及網絡定位組成。

無線傳感網絡結構分別由承擔不同功能的傳感器節點、匯聚節點、任務管理節點組成。無線傳感網絡結構如圖2所示。

傳感器節點在感知技術中承擔著最基本、最重要的功能，傳感器節點型號不同，功能則不同，但均可監測區域相關信息，并借助網絡節點實現數據傳送，從而實現感知層最為基本的功能。傳感器節點監測的各類數據信息，通過匯聚節點與任務管理節點進行信息收集與統計處理。

無線傳感器網絡節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電力供給模塊構成，以實現信息的采集處理和運送傳輸，如圖3所示。以上模塊由多個發射裝置組成，各發射裝置功能不同，分別對應于內部數據的傳遞處理，外部數據的采集儲存。傳感器模塊負責監測采集信息；處理器模塊通過計算保證信息數據的傳輸過程穩定可靠；無線通信模塊是系統的“命脈”，主要負責數據信息傳輸；電力供給模塊確保系統安全穩定運行。

無線傳感器網絡協議是指傳感器信息采集傳輸過程中采用的規則和標準。無線傳感器網絡定位用于定位傳感器網絡中傳感器節點的位置，形成監測區域地圖，以精確控制各傳感器節點的各項功能。通過RSSI或者AO等算法對傳感器進行定位的是網絡節點測距法，擇參照物作為坐標進行傳感器節點確認的是參照物定位法，通過用已知節點不斷發現新節點的是時間定位法。

2.2.2 自動在線監測技術

自動監測系統主要通過傳感器設備采集水體的溫度、pH值、濁度、含氧量等。通過北斗衛星定位GPS獲得固定或移動監測點的確切位置，監測點自身具備4G網絡傳輸模塊，定時將采集的信息上傳至各級數據采集中心，模仿客戶端至服務器端的形式，由服務器端，即各級數據采集中心將所采數據信息按照設置好的數據模型進行梳理歸納，最終上傳至總數據采集平臺，由總數據采集平臺進一步分析處理。在線監測技術系統構成如圖4所示。

水生態系統的自動在線監測模式分為三種，分別是位置固定型、坐標浮動型和便捷移動型[3]。位置固定型監測通常是建立在固定水域中的固定監測點。此類傳感儀器設備種類繁多，數據精度高，但因其設備占地面積大、安裝施工及后期維護難度大費用高，不適于大面積安裝，且易受氣象條件的影響。坐標浮動型設備由傳感浮標、傳感元件、通信及供電設備、錨固定儀等組成，能夠對水質進行快速、準確地監測，并能實時將各類監測數據有效回傳，具有很好的抗干擾性。便捷移動型設備利用可移動的實時監控裝置，對各種復雜情況下的水體進行實時有效地監測。該類型設備具有便捷靈活、設備可集成性強等優點，可實現對監測數據的實時傳輸及遠程遙控管理。由于該模式具有規模小、投資少等實際優點，主要用于城市中的小型河流、景觀河及一些有代表性的污染河流[3]。

2.2.3 數據傳輸技術

物聯網傳輸層是將數據采集傳感器的各類繁雜數據信息通過網絡傳輸到數據處理中心，由數據處理中心進行下一步工作。傳輸方式主要分為有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸技術已廣泛應用于專用網絡，通過光纖、以太網等有形介質來實現固定監測點監測儀器的數據傳輸和信息傳遞。由于傳統的監控設備改造費用高，而移動數據的獲取費用也在逐年下降，所以采用無線傳輸技術減少了工程建設的復雜性。無線網絡傳輸模式分為無線局域網和無線廣域網。無線局域網主要包括Bluetooth、WiFi等，無線廣域網現主要采用4G及5G網絡。在無線局域網中，WiFi是WLAN中最常用的通信手段，具有快速、短距離、低功耗等優點，與WiFi相比，Bluetooth技術功率低、成本低、延時短，便于管理數據，安全性相對較高，但存在傳輸距離短、數據傳送速率低、不同設備間協議不兼容、需要本地數據記錄的限制等缺點[1]。

2.2.4 基于云架構的環境監測數據存儲與管理

環境監測數據具有海量、非線性、多尺度、高維等特點，對數據的存儲、維護提出了巨大的挑戰[4]。基于以上特點，擬利用云存儲技術，結合開源的Hadoop分布式文件系統（HDFS），通過云計算構建分布式、集群化數據存儲模型；并根據構建的評價模型對數據的實時調度速度的要求，采取數據預讀取策略，以提高數據的讀取效率。隨著數據存儲容量的增加，存儲節點的數量和系統出現存儲節點失效的概率也同步增加。因此，需要構建可伸縮、高性能、高可靠的存儲結構，采用相應的數據冗余機制，確保物聯網存儲系統的高可用性。

2.2.5 環境監測物聯網平臺的優化組織、調度與維護

在基于物聯網的環境監測系統中，感知傳感設備儀器分門別類、節點散布星羅棋布、各節點實時狀態及感知信息種類繁多且管理難度大，對網絡中各節點產生的數據進行分析統計是此項目首要解決的問題。開發一個可視化、易于操作的監控管理平臺，便于觀察監測網絡中各節點感知設備的活動狀態，方便管理者及時發現網絡節點中出現的問題，并反饋給領導層及故障解決團隊，最終完成對監控監測網絡各節點數據的圖形顯示、實時監測及報表匯總[5]。此外，環境監測感知平臺還需具有對各節點感知設備及感知保姆設備的遠程喚醒及操控、故障報警診斷、程序自動升級更新等功能，實現對終端節點的智能化管理。

物聯網智慧監測關鍵技術主要研究工作包括：感知系統可視化管理平臺開發，感知系統軟件自主發布，驗證感知平臺在實際監測應用中的效果，進而對軟件進行完善與優化等[5-6]。

3 水生態環境管理系統設計

3.1 實時監測和預警

以傳感器、傳輸網絡、應用終端為核心的物聯網技術，可實現對各類流域水質的實時監控與預警。通過構建水質監測監控系統，既能滿足大范圍、低功耗要求，又能實時監控大流域水體水質[1， 7]。對偏遠區域的水質數據進行自動管理，對提高水資源利用效率具有重要意義。本系統包括移動感知終端、傳感網絡、應用客戶端等模塊，可對中小水體的污染狀況進行實時監控。以上海市金山區為例，科研人員利用新型浮筒作為載體，實現了對各大河流水質的實時監控。以太湖為例，科研人員針對其面積大、范圍廣的特點，開發出太湖藍藻水華預警平臺，在感知層采集的數據，經傳輸層、支撐層傳輸、處理后，可在應用層的可視化數據模塊下載信息，通過物聯網預警平臺的集控中心進行數據分析后，結合氣象、水文部門的預報，對未來3天藍藻水華的平均預測精度超過85%[5， 8]。

3.2 治理效能管理

運用物聯網技術進行水環境水資源治理，能夠有效防范潛在的水環境風險，加強流域生態補償，而這也是我省地表水污染防治工作的一項重要內容[9]。在水環境治理過程中，我省通過不同時期、不同河段的水質取樣分析，初步建立了賈魯河戴洼水域生態水環境網絡管理系統的框架，并通過構建多個生態水環境物聯網子系統，對各監測單元進行實時監測，及時發現污染隱患，通過對水資源管理中的風險進行有效控制，促使水環境管理、治理及監督單位積極參與[10]。在水生態治理過程中，運用物聯網技術和云計算分析技術可以實現各類參數監測分析、預警分級模型智能建立、智能決策建議以及治理后追溯監督等功能[11]。

3.3 智慧監控服務系統

建立的水生態環境質量自動監測系統從功能上可分為智慧污水處理監控服務系統和水質監控服務系統兩部分[12]。

3.3.1 智慧污水處理監控服務系統

該系統覆蓋了物聯網感知監測節點，節點包括生活用水節點、商業用水節點、重點排污企業節點，根據不同節點的用水排污特點，針對進水、處理、排放的全過程，采用多樣化、針對性的數據采集手段，實時感知過程參數[13]。根據各節點的用水量，污水排放情況，采用不同的物聯網感知系統策略，以科學分類按量排污為目標，以合理按量用水為約束條件，以“試點先行”為原則，聯合水務調控為手段，觀察各節點的全流程水資源監測及排污監控，最終實現水環境水資源的智慧化管理。

針對重點排污企業，安裝基于物聯網技術的排污監測裝置，該裝置能夠實時監測企業的排污量，如果超過排污指標，物聯網監測預警系統通過網絡通信技術向環保管理部門發出信息提醒，管理部門警示企業，并可遠程關閉排放口閥門，企業將無法繼續排污。以此控制排污企業的排污總量，杜絕超量、超標進水，確保不超處理負荷，降低運行成本。

3.3.2 水質監控服務系統

通過應用實時狀態感知和高可靠信息傳輸技術對水體水資源進行監測，通過布局全方位物聯網水質監測感知元網絡，搭建智慧監測和信息處理平臺，向政府、環保部門提供水環境污染預測、預警、決策和應急聯動的信息，建設集各水體水質監測預警中心、污染源監控中心、水質優化方案決策系統及環境數據中心的水環境水資源監測監控于一體的管理系統[14-15]。

通過利用現代物聯網及通信技術，實現一體化環境監測，對各水體水源的感知系統進行信息接收、記錄，通過匯總、分析、數據報表等方式提供統計分析功能，為政府部門掌握信息、環保部門決策管理提供數據基礎。

4 水生態環境物聯網智慧監測技術的發展前景

在感知技術中，前端感知裝置是進行水環境監控的基礎和數據來源，是整個系統的關鍵，感知終端的準確性將對系統的整體性能產生重要的影響。國內儀器的精度與關鍵技術的開發還需要進一步提高、加強。另外，隨著“三水統籌”方案的具體實施，藻類浮游生物在線監測等水生狀態感知裝置也將成為研究和應用的重要趨勢[8]。

高效融合物聯網技術的水生態環境監測系統，在水生態水環境中的應用得到了迅速發展。此技術能夠完成數據實時高效和全景全面的傳輸，保證數據準確傳遞，并實現了對數據的精確分析與智能處理，保障了水環境監測監控的廣泛性和實時性。

5 結 語

隨著水生態環境精確感知、多源異構數據與設備融合、高速通信等科學技術的不斷創新發展，基于監測物聯網技術的水生態環境在要素全面感知、數據高效處理、業務智慧應用等方面的綜合效能將會進一步推進和發展。基于物聯網監控系統的高度智能化發展，進而完善數字化和智慧化的水生態水環境監測體系，實現“空天地”一體化遠程監測與智能預警預測，從而為水生態水環境的治理提供更廣泛、更多樣的區域化監測和監控手段。

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