基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測(cè)系統(tǒng)的研究

黃藍(lán)會(huì)

（寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西寶雞721016）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測(cè)系統(tǒng)的研究

黃藍(lán)會(huì)

（寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西寶雞721016）

針對(duì)當(dāng)前渭河流域檢測(cè)水文設(shè)備不足、各監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)無(wú)法共享的情況，提出了一套有效可行的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用水質(zhì)檢測(cè)裝置和河道采砂檢測(cè)裝置進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，同時(shí)配合無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)。本系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)國(guó)家實(shí)用新型專利審批，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)符合正常范圍。

物聯(lián)網(wǎng)；河流檢測(cè)；嵌入式技術(shù)；傳感器

對(duì)河流的氣象、水文、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)近年來(lái)越來(lái)越為人所關(guān)注，河流水資源整體的保護(hù)、調(diào)度與綜合利用成為必要研究方向［1_2］。陜西省以渭河為例，已投入和使用的大型干流水文站有拓石、林家村、魏家堡、咸陽(yáng)、臨潼、華縣6處；水位站有耿鎮(zhèn)、交口、渭南、陳村、華陰、吊橋6處；投入和使用的渭河干流水質(zhì)監(jiān)測(cè)站有寶雞魏家堡斷面、楊凌斷面、咸陽(yáng)斷面、渭南斷面4個(gè)；這些監(jiān)測(cè)站的投入和使用對(duì)渭河流域的監(jiān)測(cè)和保護(hù)起到了至關(guān)重要的作用。

由于水文站數(shù)量不足，無(wú)法全方位的監(jiān)控和調(diào)度，而且各個(gè)水文站的信息沒(méi)有共享，針對(duì)采砂的檢測(cè)沒(méi)有完善，造成個(gè)別干流流域私自采砂現(xiàn)象影響河道正常的行洪與泄洪，在突發(fā)洪水的情況下，管理部門(mén)無(wú)法及時(shí)調(diào)查取證，掌握實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)［3_4］。因此發(fā)展微型河流檢測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行，通過(guò)采用各種高精度傳感器，將所采集到的信息傳送到后臺(tái)，小型監(jiān)測(cè)站能最大程度地保證自動(dòng)運(yùn)行以減少維護(hù)費(fèi)用和人力資源［5_6］。

1　相關(guān)技術(shù)

河流監(jiān)測(cè)技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)水文水利信息化的重要手段，它標(biāo)志著我國(guó)信息技術(shù)在水文、地質(zhì)災(zāi)害、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的水平。河流監(jiān)測(cè)技術(shù)主要涉及傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及人工智能等多種高新信息技術(shù)［7_8］。

物聯(lián)網(wǎng)是將傳感設(shè)備或智能儀表通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念［9_10］。物聯(lián)網(wǎng)涉及的主要技術(shù)有傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)、云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)［11］。

2　總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體架構(gòu)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層［12］。在應(yīng)用層中主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、決策，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；在網(wǎng)絡(luò)層主要是通過(guò)衛(wèi)星、移動(dòng)通信以及互聯(lián)網(wǎng)三者結(jié)合的形式開(kāi)展數(shù)據(jù)的采集和共享；在感知層中，主要涉及氣象信息傳感器、GPRS、遠(yuǎn)程控制終端等設(shè)備。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)站3和小型無(wú)人監(jiān)測(cè)飛行器4，還包括無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5和遠(yuǎn)程服務(wù)器6，微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)站3和小型無(wú)人監(jiān)測(cè)飛行器4分別衛(wèi)星定位裝置二322和攝像裝置一323，且振動(dòng)傳感器321、GPS衛(wèi)星定位裝置二322和攝像裝置一323分別通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠(yuǎn)程服務(wù)器6發(fā)送震動(dòng)信息、位置信息和視頻信息。小型無(wú)人監(jiān)測(cè)飛行器4內(nèi)設(shè)有GPS衛(wèi)星定位裝置三41和攝像裝置二42，且GPS衛(wèi)星定位裝置三41和攝像裝置二42分別通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠(yuǎn)程服務(wù)器6發(fā)送位置信息和視頻信息。遠(yuǎn)程服務(wù)器6為電腦或智能手持設(shè)備。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5包括WIFI和GSM/GPRS。本系統(tǒng)通過(guò)微型氣象站1、水文站2、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)站3和小型無(wú)人監(jiān)測(cè)飛行器4接收信息，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器6，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，避免了大量人力投入到一線的問(wèn)題。

監(jiān)測(cè)站通過(guò)RS_232通訊口與裝入中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)SIM卡的GPRS DTU傳輸模塊連接，監(jiān)測(cè)總站實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)子站發(fā)送的數(shù)據(jù)。無(wú)線傳輸模塊把GPS衛(wèi)星定位裝置收集到的信息通過(guò)附近的移動(dòng)基站傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，再經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程［13］。

智能環(huán)境監(jiān)測(cè)站主要采用AVR Atmega128L微控制器，通過(guò)RS_232串口與GPRS模塊MC39i進(jìn)行通信，主要完成對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)器后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示［14］。

采集終端被分配了唯一地址后將其地址信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器備份。采集終端設(shè)備上電后各個(gè)功能模塊被初始化，同時(shí)開(kāi)始GPRS模塊供電，然后判斷網(wǎng)絡(luò)連接通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5與遠(yuǎn)程服務(wù)器6連接。

微型氣象站1包括氣象信息傳感器11、氣象數(shù)據(jù)采集器12和GPS衛(wèi)星定位裝置一13。智能環(huán)境監(jiān)測(cè)站3包括水質(zhì)檢測(cè)裝置31和河道采砂監(jiān)測(cè)裝置32。水質(zhì)檢測(cè)裝置31包括水質(zhì)采樣器311、水質(zhì)檢測(cè)儀312和水質(zhì)數(shù)據(jù)處理器313，水質(zhì)數(shù)據(jù)處理313控制水質(zhì)采樣器311采樣并經(jīng)水質(zhì)檢測(cè)儀312檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)5向遠(yuǎn)程服務(wù)器6發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)。河道采砂監(jiān)測(cè)裝置32包括振動(dòng)傳感器321、GPS是否正常，如果正常，30分鐘采集一次水質(zhì)數(shù)據(jù)，記錄下采集時(shí)間和變量信息，連續(xù)采集10次，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字濾波處理后將數(shù)據(jù)平均值打包發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

渭河寶雞段以林家村寶雞峽大壩為界，隸屬渭河上游和中游段，全長(zhǎng)224 km，占渭河總干流的27.4%。目前寶雞市96%以上的人口和93%以上的國(guó)民生產(chǎn)總值都聚集在渭河流域，同時(shí)渭河也是寶雞市重要的農(nóng)業(yè)灌溉水源和川道地下水的重要補(bǔ)給水源，擔(dān)負(fù)著泄洪、維護(hù)生態(tài)平衡的重要任務(wù)，是寶雞市當(dāng)之無(wú)愧的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展生命線，然而，近年來(lái)由于氣候變暖，加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展耗水量的急劇增加，渭河流域水資源嚴(yán)重短缺，水污染加?。?5］。

本文提及的智能河流檢測(cè)系統(tǒng)于2015年底申請(qǐng)了國(guó)家新型專利，專利號(hào)為CN204730833U。為了較全面地反映渭河寶雞段水質(zhì)變化狀況，根據(jù)該段河流的自然特征及整體污染特點(diǎn)，沿渭河流向自西向東依次選取了林家村、虢鎮(zhèn)橋、常興橋三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838 2002），監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共24項(xiàng)，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)選擇的針對(duì)性原則、適度原則、監(jiān)測(cè)技術(shù)可行原則，結(jié)合渭河寶雞段所受納的主要污水類型及水質(zhì)污染的主要影響因素，考慮到某些項(xiàng)目未檢出和3個(gè)斷面數(shù)據(jù)的一致性，主要檢測(cè)如下3個(gè)數(shù)據(jù)，分別是pH，反映水體酸堿程度；DO值，反映水體自凈能力；BOD5，反映河流有機(jī)污染程度［5］。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2015年10月30日，從上午9點(diǎn)開(kāi)始，間隔1小時(shí)取樣一次，信息存儲(chǔ)到ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)截圖如圖3所示，其中設(shè)備編碼1代表林家村站，編碼2代碼虢鎮(zhèn)橋站，編碼3代表常興橋站。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)截圖

將系統(tǒng)檢測(cè)平均數(shù)據(jù)與寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站2010年和2012年的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其偏差。具體如表1所示。

表1　渭河寶雞段2010、2012、2015年3斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，PH值3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)持平，變化不大，系統(tǒng)檢測(cè)值處于正常范圍；DO值系統(tǒng)檢測(cè)出只有林家沖點(diǎn)值較往年升高，其他兩個(gè)點(diǎn)均有不同程度的降低；BOD5值2015檢測(cè)值只有虢鎮(zhèn)橋點(diǎn)有升高，升高點(diǎn)也在正常范圍。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于虢鎮(zhèn)橋緊鄰市區(qū)，市內(nèi)生活廢水和垃圾排污主要集中于此，所以DO值逐年下降而B(niǎo)OD5值逐年上升。本系統(tǒng)調(diào)查取樣值和2010、2012年對(duì)比，趨于正常范圍。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)渭河流域?qū)氹u段水利檢測(cè)設(shè)備不足以及各個(gè)檢測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)共享的情況，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套河流檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際水質(zhì)及采砂情況，該系統(tǒng)功耗低，可擴(kuò)展，適用于多種工作模式，目前已經(jīng)在寶雞段部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)試用。

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Research on lntelllgent rlVer detectlon system based on lnternet of thlngs

HUANG Lan_hui
（Department of Computer Science，Baoji University of Arts and Science，Baoji 721016，China）

According to the need of the current rapid deve1opment of hydro1ogica1 monitoring system，The rea1 situation is the 1ack of equipment to measure hydro1ogy and Each monitoring station data can not be shared，this paper puts forward a comp1ete and feasib1e hydro1ogica1 monitoring systemso1ution based on Internet of things techno1ogy.The main function of the system is to carry out environmenta1 detection，and the main device of the system is water qua1ity detection device and a detection device of sand，at the same time with the wire1ess communication network can transmit the data to the remote storage server.The system has been approved by the nationa1 uti1ity mode1 patent.The experimenta1 resu1ts show that the system is in the norma1 range.

internet of thingsjriver detectionj embedded techno1ogyjsensor

TN6

A

1674_6236（2016）10_0080_03

2016_01_27稿件編號(hào)：201601258

國(guó)家自然科學(xué)基金（61379030）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（15JK1028）

黃藍(lán)會(huì)（1980—），女，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，數(shù)據(jù)挖掘。