一种基于物联网技术的河流监测系统设计

　　摘要：随着工业的发展和人口的增长,水环境的污染也变得越发严重,影响了人们的生产生活。绿水青山就是金山银山,近年来随着以河长制为代表的一系列水环境管理制度政策和措施出台,以及物联网技术的应用推广,使得水环境的质量有了大幅改善。为了能够对水环境,尤其是河流水质等信息进行实时监测,准确掌握水质信息,更好地提供决策信息,在此提出一种基于物联网技术的河流监测系统设计。该系统设计基于LTE/GPRS网络,采用MQTT协议完成云平台和终端节点之间的通信,终端节点包括控制单元、采水配水单元、传感器单元、通信单元、电源单元,云平台包括设备管理平台和河流水质监测平台。

　　本文源自物联网技术,2020,10(09):37-38+41.《物联网技术》杂志是经国家新闻出版总署批准的物联网专业科技期刊。杂志为月刊，每月20日出版，现已是中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊，中国学术期刊网络出版总库收录期刊，中文科技期刊数据库收录期刊，龙源国际期刊网全文收录期刊，中国科技论文在线收录期刊。

　　水生态文明建设是生态文明建设的重要组成部分,随着工业的发展和人口的增长,水环境的污染变得越发严重,影响了人们的生产生活。绿水青山就是金山银山,近年来随着物联网技术的不断进步,发挥物联网技术的优势来完善水环境的治理和监测效果显著,意义重大。

　　目前,在水环境监测领域引入物联网技术已成为水环境监测和管理新的发展方向,在此提出一种基于物联网技术的河流监测系统设计,该系统设计基于LTE/GPRS网络,采用MQTT协议完成云平台和终端节点间的通信。终端节点包括控制单元、采水配水单元、传感器单元、通信单元、电源单元;云平台包括设备管理平台和河流水质监测平台。通过以物联网技术为基础的终端节点和云平台相互配合,可以完成对水质信息采集、传输、分析和展示全流程的实时监控,并依靠云平台的设备管理平台对所有终端节点实现远程控制和远程管理,提高管理效率和系统运行的可靠性及稳定性,有效应对和防止突发性水环境污染事故,为水环境监测和管理提供便利[1,2,3]。

　　1、系统总体架构

　　河流监测系统利用物联网、无线通信、传感器等技术,通过对河流水质信息和河流视频信息的实时采集上传,能够在云端时刻掌握河流水质等情况,为有关部门的决策部署提供参考和帮助,对实现水环境监测管理降本增效提供有力支撑。河流监测系统整体分为两大部分,即云平台和终端节点,其中终端节点包括控制单元、采水配水单元、传感器单元、通信单元、电源单元等;河流监测云平台由设备管理平台和河流水质监测平台组成,其中设备管理平台包括设备接入、设备状态查询、命令收发、运行与命令日志查询、历史数据存储与查询功能等,河流水质监测平台具有设备监控、人员管理、基础管理、报表管理、系统管理、大屏展示等功能[4]。

　　系统总体框架如图1所示。

　　图1河流监测系统总体框架

　　终端节点通过控制单元完成所有的操作任务,按照云平台设置的工作模式,通过采水配水单元河水进入节点水槽,然后利用水质传感器采集水质信息,摄像头实时拍摄河流画面,通过通信模块,利用LTE/GPRS网络将数据上传至云平台,电源模块用以保障整个终端节点的正常运行。

　　河流监测系统通过云平台进行远程管理,云平台具备设备监控功能,可对终端节点进行数据和状态监控,在发生故障时能够及时上报故障信息,终端采集的水质信息和河流实时画面可通过平台的大屏功能全面、真实地进行展示[5,6]。

　　2、河流监测系统终端节点设计

　　河流监测系统终端节点作为河流监测系统的重要组成部分,扮演着物联网基本架构中的感知层角色,负责采集前端信息,并执行来自后端平台的查询或控制命令,终端节点包括控制单元、采水配水单元、传感器单元、通信单元和电源单元等。

　　河流监测系统终端节点拓扑结构如图2所示。

　　图2河流监测系统终端节点拓扑结构

　　控制单元采用可以运行Linux操作系统的高性能核心板作为主控制器,实现对河流监测系统终端节点各部分的控制,并将采集的数据通过通信单元上传至云平台,或接收并执行来自云平台的命令。控制单元具备多路网口,RS485,RS232,模拟信号和数字信号的输入输出等接口若干,可以控制水质传感器、空气温湿度传感器、网络摄像头,以及采水配水单元等设备。

　　采水配水单元包括采水设备、配水设备及辅助设备。采水设备的主要功能是根据控制单元的控制指令从河流抽取分析水质所需的样品水;配水单元的主要功能是对样品水进行处理,包括泥沙去除、在线过滤等操作,为传感器单元提供满足采样要求的样品水,除此之外还具备自动清洗功能,可保证系统能够长时间正常工作。

　　传感器单元主要包括五参数检测传感器、空气温湿度传感器、网络摄像头等。五参数检测传感器主要监测的参数包括水温、pH、溶解氧、电导率、浊度,另外还可以根据实际要求检测氨氮等指标;空气温湿度传感器采集终端节点的温湿度信息;网络摄像头采集终端节点的工作画面和河道的监控画面。

　　通信单元以LTE/GPRS模组为核心进行无线通信,也可根据需要换成光纤有线通信。电源单元包括外部电力供应、太阳能电池供应和UPS,可保证终端节点正常工作。

　　3、河流监测系统云平台设计

　　河流监测系统云平台作为整个系统的重要组成部分,主要负责设备管理、业务管理和数据管理工作,它由设备管理平台和河流水质监测平台组成。河流监测系统云平台框架如图3所示。

　　图3河流监测系统云平台框架

　　3.1设备管理平台

　　设备管理平台具有设备接入、设备状态查询、命令收发、运行与命令日志查询、历史数据存储与查询功能。

　　设备接入负责终端设备的接入,保证设备可在正常或非正常情况下连接平台进行通信交互,保证业务流程顺利进行。

　　设备状态查询功能包括查看设备鉴权信息、在线状态、位置信息等。

　　命令收发功能的作用是对设备下发各类命令,并接收来自设备的回复。

　　运行与命令日志查询可以查询设备的运行日志和命令下发与接收的日志。

　　历史数据存储与查询功能用于查看设备上传的数据。

　　3.2河流水质监测平台

　　河流水质监测平台包括设备监控、人员管理、基础管理、报表管理、系统管理、大屏展示模块。

　　设备监控是针对设备管理平台的设备状态和上传数据进行分析,展示在用户面前,查看设备是否运行正常,数据是否处于阈值区间,命令是否执行等。

　　人员管理可以进行各终端节点配属的运维人员信息的管理和查询工作。

　　基础管理包括设备档案管理(设备档案录入管理及对客服信息、厂家信息、设备信息等的管理)、库房备件管理等。

　　报表管理包括维修报表、巡检报表、维保报表、故障报表、终端节点状态报表、水质数据统计报表等。

　　系统管理包括用户账号管理、权限管理、短信报警管理等。

　　大屏展示功能以大屏幕配合GIS展示各终端节点及其采集的水质信息的各项状态指标。

　　4、结语

　　本文提出的基于物联网技术的河流监测系统设计,基于LTE/GPRS网络并采用MQTT协议完成云平台和终端节点之间的通信,终端节点和云平台相互配合,可以完成对水质信息采集、传输、分析和展示全流程进行实时监控,并且依靠设备管理平台可以对所有终端节点实现远程控制和远程管理,提高管理效率。未来终端节点还可以根据需要引入5G网络,使其具备一定的可拓展性。该系统可以满足现阶段河流水质监测的现实需求,更好地保护环境、保护生态。

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