一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長,水環(huán)境的污染也變得越發(fā)嚴重,影響了人們的生產(chǎn)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(huán)境管理制度政策和措施出臺,以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣,使得水環(huán)境的質(zhì)量有了大幅改善。為了能夠?qū)λh(huán)境,尤其是河流水質(zhì)等信息進行實時監(jiān)測,準確掌握水質(zhì)信息,更好地提供決策信息,在此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)設(shè)計基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò),采用MQTT協(xié)議完成云平臺和終端節(jié)點之間的通信,終端節(jié)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(shè)備管理平臺和河流水質(zhì)監(jiān)測平臺。

　　本文源自物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(09):37-38+41.《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》雜志是經(jīng)國家新聞出版總署批準的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)科技期刊。雜志為月刊，每月20日出版，現(xiàn)已是中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫收錄期刊，中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫收錄期刊，中文科技期刊數(shù)據(jù)庫收錄期刊，龍源國際期刊網(wǎng)全文收錄期刊，中國科技論文在線收錄期刊。

　　水生態(tài)文明建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分,隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長,水環(huán)境的污染變得越發(fā)嚴重,影響了人們的生產(chǎn)生活。綠水青山就是金山銀山,近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步,發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢來完善水環(huán)境的治理和監(jiān)測效果顯著,意義重大。

　　目前,在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為水環(huán)境監(jiān)測和管理新的發(fā)展方向,在此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,該系統(tǒng)設(shè)計基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò),采用MQTT協(xié)議完成云平臺和終端節(jié)點間的通信。終端節(jié)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(shè)備管理平臺和河流水質(zhì)監(jiān)測平臺。通過以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的終端節(jié)點和云平臺相互配合,可以完成對水質(zhì)信息采集、傳輸、分析和展示全流程的實時監(jiān)控,并依靠云平臺的設(shè)備管理平臺對所有終端節(jié)點實現(xiàn)遠程控制和遠程管理,提高管理效率和系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性,有效應(yīng)對和防止突發(fā)性水環(huán)境污染事故,為水環(huán)境監(jiān)測和管理提供便利[1,2,3]。

　　1、系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　河流監(jiān)測系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、傳感器等技術(shù),通過對河流水質(zhì)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(zhì)等情況,為有關(guān)部門的決策部署提供參考和幫助,對實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測管理降本增效提供有力支撐。河流監(jiān)測系統(tǒng)整體分為兩大部分,即云平臺和終端節(jié)點,其中終端節(jié)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(jiān)測云平臺由設(shè)備管理平臺和河流水質(zhì)監(jiān)測平臺組成,其中設(shè)備管理平臺包括設(shè)備接入、設(shè)備狀態(tài)查詢、命令收發(fā)、運行與命令日志查詢、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢功能等,河流水質(zhì)監(jiān)測平臺具有設(shè)備監(jiān)控、人員管理、基礎(chǔ)管理、報表管理、系統(tǒng)管理、大屏展示等功能[4]。

　　系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

　　圖1河流監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

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

　　河流監(jiān)測系統(tǒng)通過云平臺進行遠程管理,云平臺具備設(shè)備監(jiān)控功能,可對終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)控,在發(fā)生故障時能夠及時上報故障信息,終端采集的水質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點設(shè)計

　　河流監(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點作為河流監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,扮演著物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)中的感知層角色,負責(zé)采集前端信息,并執(zhí)行來自后端平臺的查詢或控制命令,終端節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2河流監(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)

　　控制單元采用可以運行Linux操作系統(tǒng)的高性能核心板作為主控制器,實現(xiàn)對河流監(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點各部分的控制,并將采集的數(shù)據(jù)通過通信單元上傳至云平臺,或接收并執(zhí)行來自云平臺的命令。控制單元具備多路網(wǎng)口,RS485,RS232,模擬信號和數(shù)字信號的輸入輸出等接口若干,可以控制水質(zhì)傳感器、空氣溫濕度傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭,以及采水配水單元等設(shè)備。

　　采水配水單元包括采水設(shè)備、配水設(shè)備及輔助設(shè)備。采水設(shè)備的主要功能是根據(jù)控制單元的控制指令從河流抽取分析水質(zhì)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(tǒng)能夠長時間正常工作。

　　傳感器單元主要包括五參數(shù)檢測傳感器、空氣溫濕度傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等。五參數(shù)檢測傳感器主要監(jiān)測的參數(shù)包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度,另外還可以根據(jù)實際要求檢測氨氮等指標;空氣溫濕度傳感器采集終端節(jié)點的溫濕度信息;網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集終端節(jié)點的工作畫面和河道的監(jiān)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(jù)需要換成光纖有線通信。電源單元包括外部電力供應(yīng)、太陽能電池供應(yīng)和UPS,可保證終端節(jié)點正常工作。

　　3、河流監(jiān)測系統(tǒng)云平臺設(shè)計

　　河流監(jiān)測系統(tǒng)云平臺作為整個系統(tǒng)的重要組成部分,主要負責(zé)設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理工作,它由設(shè)備管理平臺和河流水質(zhì)監(jiān)測平臺組成。河流監(jiān)測系統(tǒng)云平臺框架如圖3所示。

　　圖3河流監(jiān)測系統(tǒng)云平臺框架

　　3.1設(shè)備管理平臺

　　設(shè)備管理平臺具有設(shè)備接入、設(shè)備狀態(tài)查詢、命令收發(fā)、運行與命令日志查詢、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢功能。

　　設(shè)備接入負責(zé)終端設(shè)備的接入,保證設(shè)備可在正常或非正常情況下連接平臺進行通信交互,保證業(yè)務(wù)流程順利進行。

　　設(shè)備狀態(tài)查詢功能包括查看設(shè)備鑒權(quán)信息、在線狀態(tài)、位置信息等。

　　命令收發(fā)功能的作用是對設(shè)備下發(fā)各類命令,并接收來自設(shè)備的回復(fù)。

　　運行與命令日志查詢可以查詢設(shè)備的運行日志和命令下發(fā)與接收的日志。

　　歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢功能用于查看設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。

　　3.2河流水質(zhì)監(jiān)測平臺

　　河流水質(zhì)監(jiān)測平臺包括設(shè)備監(jiān)控、人員管理、基礎(chǔ)管理、報表管理、系統(tǒng)管理、大屏展示模塊。

　　設(shè)備監(jiān)控是針對設(shè)備管理平臺的設(shè)備狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)進行分析,展示在用戶面前,查看設(shè)備是否運行正常,數(shù)據(jù)是否處于閾值區(qū)間,命令是否執(zhí)行等。

　　人員管理可以進行各終端節(jié)點配屬的運維人員信息的管理和查詢工作。

　　基礎(chǔ)管理包括設(shè)備檔案管理(設(shè)備檔案錄入管理及對客服信息、廠家信息、設(shè)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(jié)點狀態(tài)報表、水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表等。

　　系統(tǒng)管理包括用戶賬號管理、權(quán)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(jié)點及其采集的水質(zhì)信息的各項狀態(tài)指標。

　　4、結(jié)語

　　本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò)并采用MQTT協(xié)議完成云平臺和終端節(jié)點之間的通信,終端節(jié)點和云平臺相互配合,可以完成對水質(zhì)信息采集、傳輸、分析和展示全流程進行實時監(jiān)控,并且依靠設(shè)備管理平臺可以對所有終端節(jié)點實現(xiàn)遠程控制和遠程管理,提高管理效率。未來終端節(jié)點還可以根據(jù)需要引入5G網(wǎng)絡(luò),使其具備一定的可拓展性。該系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)階段河流水質(zhì)監(jiān)測的現(xiàn)實需求,更好地保護環(huán)境、保護生態(tài)。

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