一種基于物聯網技術的河流監測系統設計

　　摘要：隨著工業的發展和人口的增長,水環境的污染也變得越發嚴重,影響了人們的生產生活。綠水青山就是金山銀山,近年來隨著以河長制為代表的一系列水環境管理制度政策和措施出臺,以及物聯網技術的應用推廣,使得水環境的質量有了大幅改善。為了能夠對水環境,尤其是河流水質等信息進行實時監測,準確掌握水質信息,更好地提供決策信息,在此提出一種基于物聯網技術的河流監測系統設計。該系統設計基于LTE/GPRS網絡,采用MQTT協議完成云平臺和終端節點之間的通信,終端節點包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元,云平臺包括設備管理平臺和河流水質監測平臺。

　　本文源自物聯網技術,2020,10(09):37-38+41.《物聯網技術》雜志是經國家新聞出版總署批準的物聯網專業科技期刊。雜志為月刊，每月20日出版，現已是中國核心期刊(遴選)數據庫收錄期刊，中國學術期刊網絡出版總庫收錄期刊，中文科技期刊數據庫收錄期刊，龍源國際期刊網全文收錄期刊，中國科技論文在線收錄期刊。

　　水生態文明建設是生態文明建設的重要組成部分,隨著工業的發展和人口的增長,水環境的污染變得越發嚴重,影響了人們的生產生活。綠水青山就是金山銀山,近年來隨著物聯網技術的不斷進步,發揮物聯網技術的優勢來完善水環境的治理和監測效果顯著,意義重大。

　　目前,在水環境監測領域引入物聯網技術已成為水環境監測和管理新的發展方向,在此提出一種基于物聯網技術的河流監測系統設計,該系統設計基于LTE/GPRS網絡,采用MQTT協議完成云平臺和終端節點間的通信。終端節點包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元;云平臺包括設備管理平臺和河流水質監測平臺。通過以物聯網技術為基礎的終端節點和云平臺相互配合,可以完成對水質信息采集、傳輸、分析和展示全流程的實時監控,并依靠云平臺的設備管理平臺對所有終端節點實現遠程控制和遠程管理,提高管理效率和系統運行的可靠性及穩定性,有效應對和防止突發性水環境污染事故,為水環境監測和管理提供便利[1,2,3]。

　　1、系統總體架構

　　河流監測系統利用物聯網、無線通信、傳感器等技術,通過對河流水質信息和河流視頻信息的實時采集上傳,能夠在云端時刻掌握河流水質等情況,為有關部門的決策部署提供參考和幫助,對實現水環境監測管理降本增效提供有力支撐。河流監測系統整體分為兩大部分,即云平臺和終端節點,其中終端節點包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元等;河流監測云平臺由設備管理平臺和河流水質監測平臺組成,其中設備管理平臺包括設備接入、設備狀態查詢、命令收發、運行與命令日志查詢、歷史數據存儲與查詢功能等,河流水質監測平臺具有設備監控、人員管理、基礎管理、報表管理、系統管理、大屏展示等功能[4]。

　　系統總體框架如圖1所示。

　　圖1河流監測系統總體框架

　　終端節點通過控制單元完成所有的操作任務,按照云平臺設置的工作模式,通過采水配水單元河水進入節點水槽,然后利用水質傳感器采集水質信息,攝像頭實時拍攝河流畫面,通過通信模塊,利用LTE/GPRS網絡將數據上傳至云平臺,電源模塊用以保障整個終端節點的正常運行。

　　河流監測系統通過云平臺進行遠程管理,云平臺具備設備監控功能,可對終端節點進行數據和狀態監控,在發生故障時能夠及時上報故障信息,終端采集的水質信息和河流實時畫面可通過平臺的大屏功能全面、真實地進行展示[5,6]。

　　2、河流監測系統終端節點設計

　　河流監測系統終端節點作為河流監測系統的重要組成部分,扮演著物聯網基本架構中的感知層角色,負責采集前端信息,并執行來自后端平臺的查詢或控制命令,終端節點包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元和電源單元等。

　　河流監測系統終端節點拓撲結構如圖2所示。

　　圖2河流監測系統終端節點拓撲結構

　　控制單元采用可以運行Linux操作系統的高性能核心板作為主控制器,實現對河流監測系統終端節點各部分的控制,并將采集的數據通過通信單元上傳至云平臺,或接收并執行來自云平臺的命令。控制單元具備多路網口,RS485,RS232,模擬信號和數字信號的輸入輸出等接口若干,可以控制水質傳感器、空氣溫濕度傳感器、網絡攝像頭,以及采水配水單元等設備。

　　采水配水單元包括采水設備、配水設備及輔助設備。采水設備的主要功能是根據控制單元的控制指令從河流抽取分析水質所需的樣品水;配水單元的主要功能是對樣品水進行處理,包括泥沙去除、在線過濾等操作,為傳感器單元提供滿足采樣要求的樣品水,除此之外還具備自動清洗功能,可保證系統能夠長時間正常工作。

　　傳感器單元主要包括五參數檢測傳感器、空氣溫濕度傳感器、網絡攝像頭等。五參數檢測傳感器主要監測的參數包括水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度,另外還可以根據實際要求檢測氨氮等指標;空氣溫濕度傳感器采集終端節點的溫濕度信息;網絡攝像頭采集終端節點的工作畫面和河道的監控畫面。

　　通信單元以LTE/GPRS模組為核心進行無線通信,也可根據需要換成光纖有線通信。電源單元包括外部電力供應、太陽能電池供應和UPS,可保證終端節點正常工作。

　　3、河流監測系統云平臺設計

　　河流監測系統云平臺作為整個系統的重要組成部分,主要負責設備管理、業務管理和數據管理工作,它由設備管理平臺和河流水質監測平臺組成。河流監測系統云平臺框架如圖3所示。

　　圖3河流監測系統云平臺框架

　　3.1設備管理平臺

　　設備管理平臺具有設備接入、設備狀態查詢、命令收發、運行與命令日志查詢、歷史數據存儲與查詢功能。

　　設備接入負責終端設備的接入,保證設備可在正?；蚍钦Ｇ闆r下連接平臺進行通信交互,保證業務流程順利進行。

　　設備狀態查詢功能包括查看設備鑒權信息、在線狀態、位置信息等。

　　命令收發功能的作用是對設備下發各類命令,并接收來自設備的回復。

　　運行與命令日志查詢可以查詢設備的運行日志和命令下發與接收的日志。

　　歷史數據存儲與查詢功能用于查看設備上傳的數據。

　　3.2河流水質監測平臺

　　河流水質監測平臺包括設備監控、人員管理、基礎管理、報表管理、系統管理、大屏展示模塊。

　　設備監控是針對設備管理平臺的設備狀態和上傳數據進行分析,展示在用戶面前,查看設備是否運行正常,數據是否處于閾值區間,命令是否執行等。

　　人員管理可以進行各終端節點配屬的運維人員信息的管理和查詢工作。

　　基礎管理包括設備檔案管理(設備檔案錄入管理及對客服信息、廠家信息、設備信息等的管理)、庫房備件管理等。

　　報表管理包括維修報表、巡檢報表、維保報表、故障報表、終端節點狀態報表、水質數據統計報表等。

　　系統管理包括用戶賬號管理、權限管理、短信報警管理等。

　　大屏展示功能以大屏幕配合GIS展示各終端節點及其采集的水質信息的各項狀態指標。

　　4、結語

　　本文提出的基于物聯網技術的河流監測系統設計,基于LTE/GPRS網絡并采用MQTT協議完成云平臺和終端節點之間的通信,終端節點和云平臺相互配合,可以完成對水質信息采集、傳輸、分析和展示全流程進行實時監控,并且依靠設備管理平臺可以對所有終端節點實現遠程控制和遠程管理,提高管理效率。未來終端節點還可以根據需要引入5G網絡,使其具備一定的可拓展性。該系統可以滿足現階段河流水質監測的現實需求,更好地保護環境、保護生態。

　　參考文獻:

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　　[3]梁承美.基于物聯網的湖泊水質監測系統的研究[D].上海:華東理工大學,2014.

　　[4]黃桂萍.物聯網水環境監控系統設計[J].長春大學學報(自然科學版),2017(12):35-39.

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　　[10]丁越昌,文釧東,錢康.基于物聯網的污水監測系統[J].物聯網技術,2019,9(2):15-16.