基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统
王新鹏 房兴刚
【摘? 要】水质监测是预防和治理水资源污染的重要技术手段，为解决我国水质检测存在的技术和设备相对落后、自动化覆盖面不广、水质监测效率低下等问题，论文研究一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统，该系统可实时监测水温、pH值、溶解氧和生化需氧量，并通过水面基站将所测数据信息上传到水质监测云平台，实现对水质的实时动态监管，大大提高了检测效率，减轻了水质检测人员的工作难度。
【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.
【关键词】水质监测;低功耗;WebSocke
【Keywords】water quality monitoring; low power consumption; WebSocket
【中图分类号】X84? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）12-0194-03
1 水质监测现状
1.1 水资源现状
近几十年来，我国经济迅速发展，综合国力显著提高。与此同时，我国的生态环境也受到了严峻的挑战，人们的生活环境也出现各种各样的问题，如频繁的雾霾、大面积的酸雨等。尤其是人们的生活用水以及饮用水紧张。地球上水资源总量为14亿立方千米，淡水储存量仅占全球总水量的2.53%，我国的淡水资源总量为2.8万亿立方米，居世界第六位，但人均水量只相当世界人均占有量的四分之一，因此，淡水资源对我国来说尤为重要，水质监测更是重中之重。
1.2 水质监测的重要性
水质监测，顾名思义是监视和测定水体中的污染物的种类及其浓度以及变化趋势，是评价水质的过程。水质监测的主体大多为地表水和地下水，另外，还有一些生产生活中的废水等。水质监测的数据可以为环境管理提供有利的数据和资料、为环境科学的研究提供重要的数据和资料等。
1.3 我国的水质监测方法
我国目前大多采用的水质监测方法是检测人员到现场取样，带回实验室采取定性定量的电极法、化学法来监测，不仅费时费力，而且还存在效率低、实时性差等问题，根本无法达到水质监测数据的实时统计。为解决我国水质监测存在技术和设备相对落后、自动化覆盖面不广、检测效率低下等问题，研发一種基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统对水质监测方面来说尤为重要。水质监测结果的准确性和实时性会对环境管理和环境科学的研究带来很多便捷，有利于我国对淡水资源的管理和利用。
1.4 自控系统的国内外研究现状和发展动态
近年来，自动检测与控制技术在水质监测中的作用得到了进一步的重视，自动检测与控制技术的先天优势在智能化监测中得到了充分体现。采用自动检测与控制技术，技术人员可以通过各类传感器实现对水质pH值、溶氧量、水温、水深变化的在线精确监测，避免了手工测定的费时、费力、检测结果不精确、存在人工干扰等缺陷。同时，结合计算机和通信技术的应用，可以对检测数据进行二次分析和处理，为进一步的生产或研究提供数据来源。
目前，无线通信技术和互联网的发展又为水质监测工作注入了新的动力源。采用无线通信技术设计出无线传感器模块，这样就可以使得检测设备的安置得到进一步简化、成本得到进一步降低。而采用互联网技术，又可以使得管理人员实现对监测过程的远程控制，这对于提高生产效率、降低生产成本具有极其重要的意义。
2 系统构架
系统设计总体结构分为三个大的层面，包括智能感知层、智能传输层、智能应用层（见图1）。
①智能感知层：传感器数据采集源，包括水温、pH值传感器等。可拓宽河道、水域的检测范围，提高对其状况的了解程度。②智能传输层：针对水域或河道的环境状况，数据传输方式可视环境状况进行调整，提高数据传输的稳定性。③智能应用层：将所测数据实时上传到中心管理平台，通过可视化信息实现对水域或河道的动态监测。同时，数据与其他管理部门可进行共享，工作人员可利用这些信息完成对负责水域的治理，加速决策的制定与执行方案的实施。
3 系统的技术线路
设计系统结构：系统设计总体架构分为三个大的层面，即智能感知层、智能传输层、智能应用层。
3.1 智能感知层
鉴于设备长期工作在水下，故采用大容量锂电池供电，配合超低功耗器件可以实现长时间不间断工作。
3.1.1 主控设备
系统中的中控设备以STM32L151为核心，搭配PT100温度传感器、Odo-210溶解氧传感器、Ads1247数模转换器与高精度1MA恒流源等低功耗器件，采用大容量锂电池供电方式，设备可连续工作两星期以上。
3.1.2 数据采集端
PT100温度传感器自带温度补偿功能，其精度可达0.01℃，可以精确测量水中实时温度。Odo-210溶解氧传感器配有自动补偿功能，采用“动态荧光淬灭”原理测量水中的溶解氧含量。Ads1247数模转换器可在设备的低功耗工作模式下转换数字信号。
3.1.3 感应探头
感应探头，由大容量的锂电池供电，实现了长时间持续工作，采用了各种微小电路板，不仅降低了电能消耗，还达到了精准探测。探头表面非常光滑，使得探头表面不会留下尘土。此外，探头还能吸收水中微小杂质，精度达到了±0.02～0.05的精确探测。
3.2 智能传输层
由于检测系统大都浸泡在水中，所以要求各种设施有足够的防水性、抗压性以及抗腐蚀性，另外，由于监控设施都集中在一个地方，各地方的数据都要传送到这里，所以还要实现远距离传输，这就对传输层提出了很高的要求。我们采用了高防水、抗压的细柔长线，克服了传输线路上的各种问题。另外，由于传输距离比较长，在每隔一定的距离都会安装一个线路监测系统，如果线路出现问题，它会第一个向控制中枢发出警报，并报告出在哪一路段出现问题，便于工作人员的检测和维修。
由于水对无线信号的衰减严重，在所测水域设置水面基站，当数据采集端完成对数据的采集后，通过485总线将数据信息上传到水面基站，从而克服水对无线信号的衰减作用，保证监测的实时性。基站通过NB-IOT、GPRS/4G直接与云端服务器通信，将监测数据发送给云端服务器，云端服务器再通过中心管理平台的可视化界面将数据展现给用户。同时，终端也接收用户通过云端服务器发送来的相关配置命令，实现对终端的参数配置。
3.3 中心云管理平台
数据信息通过智能传输层发送到云端服务器，云端服务器与管理平台采用WebSocket通信协议，在一次握手通信后，通过平台中的Echarts数据图动态显示给工作人员。
3.3.1 前端——可视化界面
利用时下流行的HTML5、CSS、Js完成前端的框架设计，搭配登录模块，工作人员与管理人员可随时登陆查看水质的实时信息。嵌入Echarts数据图，平台在拿到数据之后，自动录入数据存储器，供Echarts实时调用，完成数据可视化。平台还提供对智能感知层设备参数的配置功能，例如，工作人员可以根据实际情况配置报警参数。
3.3.2 后端——Node.js服务器
采用Node.js实现前后端的信息交互，搭配MongoDB数据库对所测信息自动存储，供前端Echarts实时调用。服务器自带反向加密机制实现对所测数据和用户信息的保护。
4 系统简介
水质監测是预防和治理水污染的重要技术手段，为解决我国水质监测存在技术和设备相对落后、自动化覆盖面不广、监测效率低下等问题，研究一种基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统，该系统可实时检测水温、pH值、溶解氧和生化需氧量，并通过水面基站将所测数据信息上传到水质检测云平台，实现了对于水质的实时动态监管。工作人员可不必亲临现场就能实时获取负责区域的水质参数，大大提高了监测效率，减轻了水质监测人员的工作强度。
5 结语
该水质监测系统具有以下创新点和系统特色：
①无人监测，利用该系统可实现对水质的24h不间断检测，并通过水面基站将数据信息传送到中心管理云平台。工作人员即使未亲临现场也能实时获取负责区域的水质参数，提高了工作人员的工作效率。②低功耗工作模式，所用的主控板与数据采集芯片均为超低功耗器件，配合大容量锂电池可实现长时间不间断工作。③通过中心管理云平台可将预警信息以手机短信的形式下发，从而实现对异常水质污染数据的自动报警功能，该云平台还配有数据服务器，可对以往水质数据进行储存并分析，为管理部门提供水质治理的决策依据。④中心管理云平台利用WebSocket协议，使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
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