基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智能監(jiān)控分析系統(tǒng)

肖彥均,蘇世旭,郭永安

(南京郵電大學(xué) 教育部泛在網(wǎng)絡(luò)健康服務(wù)系統(tǒng)工程研究中心,江蘇 南京 210003)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智能監(jiān)控分析系統(tǒng)

肖彥均,蘇世旭,郭永安

(南京郵電大學(xué) 教育部泛在網(wǎng)絡(luò)健康服務(wù)系統(tǒng)工程研究中心,江蘇 南京 210003)

闡述了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智能監(jiān)控分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含前端信息采集、云平臺數(shù)據(jù)處理計算和用戶終端顯示三部分，該系統(tǒng)形成了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，和現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測形成優(yōu)勢互補，滿足了環(huán)保部門以及大眾對水質(zhì)情況監(jiān)控的需求。

物聯(lián)網(wǎng)；云計算；水環(huán)境；實時監(jiān)控

0 引言

水污染古來即有之，人類一開始就習(xí)慣把污水、污物傾入水中。但那時污染物質(zhì)數(shù)量少，種類單一，水體可以自行分解污染物，水污染也并不是什么大問題。但是自從人類脫離了原始社會耕田種地的生活環(huán)境以后，尤其是進入城市化和工業(yè)化的社會后，水污染的問題就日益嚴(yán)重了。

現(xiàn)如今，隨著工業(yè)化與城市化進程的不斷加快，城市人口高度集中，人們對用水的需求也越來越大，對水質(zhì)的破壞污染也越來越嚴(yán)重。對水質(zhì)，特別是飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)控與管理已經(jīng)刻不容緩。而目前許多城市的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點較少，加之信息化水平不夠發(fā)達，環(huán)境自動監(jiān)測監(jiān)控體系尚未形成，監(jiān)控資源分散，系統(tǒng)集成共享水平低，難以滿足公眾詳細(xì)了解水質(zhì)環(huán)境情況的迫切需求。因此，為實現(xiàn)監(jiān)控資源統(tǒng)一管理、共享，更好地推進水質(zhì)環(huán)境保護工作，人們迫切需要一套從前端傳感器信息采集、云平臺數(shù)據(jù)處理計算，到用戶終端監(jiān)測信息顯示的系統(tǒng)，以實現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控，了解主要河流水體水質(zhì)，預(yù)警預(yù)測重大水質(zhì)污染事故，保證類似2007年太湖藍藻污染事件不再發(fā)生。

1 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)基于江蘇省環(huán)保廳“1831”工程，由前端傳感器信息采集、云平臺數(shù)據(jù)處理計算和用戶終端顯示監(jiān)測三部分組成。本監(jiān)測系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、專線三者同時應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的一些缺點，為水環(huán)境的監(jiān)測提供了一種新的思路[1]。同時課題所研宄的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)能夠很好地移植到其他無線監(jiān)測領(lǐng)域。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

1.1 前端傳感器信息采集

前端傳感器信息采集模塊，實質(zhì)上是一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，之所以采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行環(huán)境監(jiān)測，是因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境多變、能源供應(yīng)不足的一些自然場景有特殊的優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要布設(shè)基站，其主要通過上千個智能傳感器節(jié)點的協(xié)同工作來獲取相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。而這些節(jié)點的布置相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測站點的布置來說是比較容易的。因此利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進行水環(huán)境的監(jiān)測，能夠克服傳統(tǒng)的監(jiān)測方法耗費大、監(jiān)測站點布置難等缺點[2]。

該無線傳感網(wǎng)由許多子網(wǎng)組成，每個子網(wǎng)由許多包含收集各類數(shù)據(jù)的傳感器的前端節(jié)點組成，每個子網(wǎng)中至少有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點至少連接一個路由器節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)層管理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型拓?fù)洹?/p>

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

前端節(jié)點的傳感器將所收集的水質(zhì)狀況信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過路由將信息發(fā)送給ZigBee總網(wǎng)關(guān)，再由這一總網(wǎng)關(guān)將所監(jiān)控到的全部信息通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€發(fā)送到云平臺，進行數(shù)據(jù)處理分析。

1.2 云平臺數(shù)據(jù)處理計算

去平臺數(shù)據(jù)處理計算模塊的任務(wù)是數(shù)據(jù)分析與處理。云計算環(huán)境中所包含的服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備數(shù)量大，而監(jiān)控系統(tǒng)所能監(jiān)控的對象也會相應(yīng)增多，監(jiān)控規(guī)模也會變大。另外云計算可以實現(xiàn)集中控制的目標(biāo)，即把傳統(tǒng)環(huán)境中所有的存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等統(tǒng)一到一個監(jiān)控平臺進行管理，實現(xiàn)故障與異常的實時發(fā)現(xiàn)與通知。

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺后，首先云平臺會根據(jù)數(shù)據(jù)的不同傳輸方式對傳輸所使用的協(xié)議進行解析，解析完成后提取、處理傳輸數(shù)據(jù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成圖表，并確定相應(yīng)數(shù)據(jù)是否超標(biāo)。處理完成后，處理結(jié)果通過環(huán)保局專線發(fā)送的同時，也會發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊對會對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行分類備份，以便用戶之后的查詢。

1.3 用戶終端顯示監(jiān)測

經(jīng)過云平臺處理后的數(shù)據(jù)通過專線發(fā)送給用戶端的網(wǎng)關(guān)，用戶終端通過WiFi連上網(wǎng)關(guān)后，通過用戶端的AndroidAPP就可以對實時的水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)以及海量的歷史數(shù)據(jù)進行直觀的監(jiān)控，為科學(xué)分析環(huán)境污染趨勢、領(lǐng)導(dǎo)決策和行政執(zhí)法提供有力的技術(shù)支持。

2 實時監(jiān)控結(jié)果顯示

2.1 監(jiān)測點基本信息

本文以用監(jiān)測系統(tǒng)中的沙渚監(jiān)測點為例，首先是監(jiān)測點的基本信息顯示，主要包含監(jiān)測點所在城市、環(huán)境區(qū)位、經(jīng)緯度等信息，如圖2所示。

圖2 基本信息顯示界面

2.2 監(jiān)測實時數(shù)據(jù)

監(jiān)測實時數(shù)據(jù)包括采樣時間、出口壓力、各類化學(xué)物質(zhì)含量、水溫、PH值、藍綠藻密度，可以直觀全面地了解監(jiān)測點水質(zhì)的實時情況，如圖3所示。

2.3 監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)可以實時調(diào)出歷史數(shù)據(jù)供用戶查詢，此處查詢的為2015-10-03到2015-10-18的歷史數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)較多，僅截取2015-10-15的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)的檢測指標(biāo)與實時數(shù)據(jù)相同，方便用戶直觀地對比，如圖4所示。

圖3 實時數(shù)據(jù)顯示界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)顯示界面

3 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

3.1 價格低廉，網(wǎng)絡(luò)部署便捷，對水體影響小

相對于現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和人工采樣實驗室分析方法，該系統(tǒng)通過搭建無線傳感網(wǎng)，使設(shè)備和人工的費用大大降低。每個前端節(jié)點功耗低、輻射小，節(jié)點之間通過ZigBee組網(wǎng)進行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，不需要布設(shè)電纜

和基站，對水環(huán)境影響小。

3.2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可靠性高，適應(yīng)性強，精度高，擴容性好

每個前端節(jié)點中包含多個傳感器，每個傳感器所檢測的數(shù)據(jù)種類都不同，通過云端對海量數(shù)據(jù)的處理與分析，使監(jiān)測的精度較傳統(tǒng)的手段有大幅提高。同時前端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為智能組網(wǎng)，當(dāng)某個節(jié)點出現(xiàn)故障后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以重新自動組網(wǎng)，適應(yīng)性強。通過調(diào)整節(jié)點數(shù)量以及節(jié)點中傳感器的類型就可以實現(xiàn)對不同水域的水質(zhì)監(jiān)測，擴容性好。

3.3 采用云計算

3.3.1 實時業(yè)務(wù)響應(yīng)

該系統(tǒng)前端采用的監(jiān)測方法決定了監(jiān)測的實時性，同時云端采用高效索引算法，智能化調(diào)度任務(wù)，可以滿足秒級信息處理響應(yīng)。前端、云端、用戶終端三者通過專線和移動通信網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實現(xiàn)了實時業(yè)務(wù)響應(yīng)。

3.3.2 歷史數(shù)據(jù)匯總

該系統(tǒng)使用云端存儲技術(shù)，通過放置在云端的服務(wù)器和存儲設(shè)備，可以做到原始數(shù)據(jù)實時入庫、生成索引，能夠?qū)Ａ繗v史監(jiān)控數(shù)據(jù)進行匯總處理，并根據(jù)用戶端的需求將監(jiān)控數(shù)據(jù)進行上報處理。通過與歷史數(shù)據(jù)對比，系統(tǒng)可以設(shè)置閾值，若有監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)，則可以通過用戶端APP推送等形式進行告警。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智能監(jiān)控分析系統(tǒng)運用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)、ZigBee組網(wǎng)、云平臺大數(shù)據(jù)處理等先進的信息采集、傳輸、處理技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)思維結(jié)合空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建高效、穩(wěn)定、通暢的環(huán)境信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測點水質(zhì)實時監(jiān)測、多途徑數(shù)據(jù)傳輸、海量數(shù)據(jù)云端處理、報表系統(tǒng)分析顯示等功能，為監(jiān)測點水質(zhì)的保護和利用提供了數(shù)據(jù)支持，是水質(zhì)監(jiān)控領(lǐng)域的探索和實踐[3]。

[1] 吳烈國. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2014.

[2] 夏宏博． 面向水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點設(shè)計[D]． 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009．

[3] 張蕊, 王智. 江蘇省環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)集中式地表飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J]. 江蘇科技信息, 2014(1):47-49.

The design of doorbell response monitoring system based on the dynamic DNS

XiaoYanjun,SuShixu,GuoYongan

(EngineeringResearchCenterofUbiquitousNetworkandHealthServiceSystem,MinistryofEducation,NangjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nangjing210003,China)

ThispaperdescribedanintelligentmonitoringandanalysissystemofwaterenvironmentbasedonInternetofThings.Thissystemincludesthreeparts:frontendinformationcollection,Cloudplatformdataprocessingandcalculation,anduserterminaldisplay.Thissystemandtheexistingwaterqualityenvironmentalmonitoringwouldgetcomplementaryadvantages.Itwouldmeettheenvironmentalprotectiondepartmentandthepublic’sdemandforwaterqualitymonitoring.

InternetofThings;Cloudcomputing;waterenvironment;real-timemonitoring

TP

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.027

肖彥均,蘇世旭,郭永安. 基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境智能監(jiān)控分析系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(22)：102-104,107.

2016-06-28)

肖彥均(1992-)，男，碩士，主要研究方向：電子與通信工程。

蘇世旭(1991-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

郭永安(1988—)男，博士研究生，主要研究方向：寬帶無線通信。