基于物联网的水环境在线监测系统的研发

摘要：水环境在线监测系统通过3S技术的集成应用，利用嵌入式系统设计水质监测终端，利用GIS技术、GPS技术、RS技术、数据库技术和物联网技术实现信息的融合、分析。本系统的研究为国家江河流域水环境安全管理提供基础信息，为政府科技决策提供可靠的技术支撑，有利于促进流域经济、社会、环境协调可持续发展。

0 引言

我国水资源分布广泛而丰富，但是也存在总量紧缺、人均占有量低、地区分布不均、水土资源不相匹配、城市缺水情况凸显、水体污染日益加重等问题。本文针对我国主要江河湖泊流域水环境污染现状，以先进的流域水环境监控、应急技术和理念为指导，充分利用物联网技术、GPRS技术、Zigbee技术，研发水环境实时监测系统和预警平台，实现流域水质实时监控、数据传输、数据处理、平台实时显示和预警，提升我国江河流域水污染实时监控预警的自动化水平与应对突发事件的应急处置能力，为国家江河流域水环境安全管理提供基础信息，为政府科技决策提供可靠的技术支撑。

1 物联网基础理论的研究

1.1 物联网的技术及其发展

所谓物联网(IOT)，指的是互联网和多种传感设备结合起来而形成的一个大型的应用型网络。物联网技术涉及的应用范围和学科十分广泛，是基于互联网发展起来可以实现“物物交互”和“人机交互”两种交互模式的一种新型网络技术，由于物联网可以通过两种交互模式实现人、物、机三者之间的通信，在传感器技术、识别技术等技术的基础上，使实时监控我们日常生活的一切和实现智能化、自动化、无人化的控制成为了可能。物联网整体体系结构如图1所示。

1.2 水环境监测物联网选择

物联网的水环境在线监测系统设计重点考虑的问题是监测物联网的选用、监测参数的确定和采样频率的制定。针对我国主要江河湖泊流域水环境污染现状，急需以先进的流域水环境监控、应急技术和理念为指导，结合流域复杂的水文、地形地貌、土地利用和生态特征，充分利用地理信息技术和云平台，研发基于物联网的水质在线监测系统，实现流域水质实时监控、数据传输、数据处理、平台实时显示和预警，提升我国江河流域水污染实时监控预警的自动化水平与应对突发事件的应急处置能力，为国家江河流域水环境安全管理提供基础信息，为政府科技决策提供可靠的技术支撑，促进流域经济、社会、环境协调可持续发展。

2 基于物联网的水环境在线监测系统的总体构架

水环境在线监测系统不同于普通的信息系统，全套系统的设计与构建、实施都是围绕水环境资源这一特殊的工业生产与发展背景展开的。因此，为了能够使水环境在线监测系统业务化运行得到最终实现，系统的功能、流程以及组成的设计必须以标准的水环境监测流程为依据，如图2所示。

3 基于物联网的水环境在线监测系统总体结构设计

本系统将集成应用3S技术，将通过GPS获得所需固定或移动监测站的确切位置，并可以将监测的数据利用通讯传输系统发送到信息控制中心，更新系统综合数据库;及时利用RS获取监测流域的水体图像，并通过水质模型监测水质变化，提早预警水污染的迁移过程;并利用GIS实现对空间数据的分析、存贮，并呈现水污染模拟模型处理结果。

系统的设计分为三个主要部分：数据采集部分、信息输出及处理部分、上位机监控控制部分。实现监测数据的实时监控、无线传输、数据处理和实时显示。

3.1 数据采集

数据采集终端主要完成环境污染信息自动采集、自动定位、数据存储上传等功能。

数据采集终端功能具体表现在安全保护功能、自动定位功能、本地显示存储功能、自动计量功能等方面，具体分析如下。

安全保护功能。具有自动运行、停电保护、来电自动恢复等功能。具有状态测试功能，便于例行维修和应急故障处理。

自动定位功能。能够自动定位投放位置并将地理位置信息上传至总监控中心。

本地显示存储功能。具有本地显示功能，可本地查看当前及历史水质数据。具有本地数据存储功能，标准配置按5m/次记录，可存储30天数据。

自动计量功能。能够自动计量重点污染源污水排放量;自动实现水样的连续等比例采样;自动记录和监控污染设施的运行。配备合适的传感器，可自动完成PH、ORP、浊度、余氯、流量等参数的在线监测，自动完成环境信息的联网传输和分析处理。

3.2 数据传输及处理部分

数据传输系统主要包括传输设备和所采用的通讯网络，监控中心与监控终端的通信网络根据实际情况采用中国移动GPRS网络、中国电信CDMA网络、3G、网桥通讯、微波通讯等，现场采集部分的通讯方式根据现场实际情况采用485总线、CAN总线或无线传感器网络等。本次研