基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统

基于物联网技术实时高效的新型水质监测系统

左慧欣 王新鹏 宁晨曦

临沂大学 山东省临沂市 276000

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。

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。因此，淡水资源对我国来说尤为重要，正确处理好水及人和人及于水两方面的关系比世界上任何一个国家都艰巨复杂。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。

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。研发一种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。

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。

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，选取大容量锂电池进行供电，将设备连续工作时长提高到两星期以上。

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。

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

水质监测是预防和治理水污染的重要技术手段，为了提高监测效率和对淡水资源的保护水平，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。

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。

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本文受临沂大学校级创新创业训练项目“一种无人水质监测装置”资助，项目编号（X202010452076），为结项成果。