淺談超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)在水資源監(jiān)測中的應(yīng)用

潘凡峰

（上海開山中夏節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，上海市 201401）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，中國制造全面提高了人民的生活水平，同時對水資源、大氣污染已經(jīng)到了不得不治理的階段了。要治理必須全面了解實際情況，目前我們國家已經(jīng)建設(shè)過很多監(jiān)測手段，包括有線的電纜、光纜，也包括無線的GPRS、衛(wèi)星通信等技術(shù)手段。但因有線的方式經(jīng)常性遇到盜竊、施工挖斷、地質(zhì)災(zāi)害等情況阻斷通信，而且在大范圍的野外條件下，尋找故障點、檢修非常困難。所以有線監(jiān)測方式現(xiàn)在還是條件有限。而現(xiàn)有無線通信方式又存在外用資源多，更換電池頻繁等維護困難的情況，所以也存在不可回避的矛盾。所以我們就要尋求一種超低功耗，即兩年以上不更換電池，同時任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障都會自動彌補的智能自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)。

目前我國地表水成分逐漸趨于復雜，有機成分增多，原來以分析濁度、離子為主，現(xiàn)在可以加一些微量有機污染物，如除草劑、殺蟲劑、消毒副產(chǎn)物等的監(jiān)測，針對性監(jiān)測水體富營養(yǎng)化，有效預(yù)防藻類過量繁殖，產(chǎn)生難聞的嗅味和有害的藻毒素保障用水安全和公共安全，維護人民的健康水平[1-3]。

1 超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)系統(tǒng)情況介紹

1.1 超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的基本工作原理

1.1.1 技術(shù)特征介紹及應(yīng)用范圍

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)領(lǐng)域的核心技術(shù)，最初由國外相關(guān)領(lǐng)域的資深軟硬件的公司和專家所壟斷，打造下一代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，提供高水準的解決方案；其產(chǎn)品將循序漸進地覆蓋工業(yè)監(jiān)測，環(huán)境保護、公共安全等不同領(lǐng)域。運用最新無線傳感網(wǎng)技術(shù)和相關(guān)人工智能技術(shù)，傳輸可靠，安裝便捷；智能程度，監(jiān)測強度和探測精度進一步提高；為實現(xiàn)大規(guī)模在線監(jiān)控帶來了契機。

1.1.2 超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)絡(luò)解決方案

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括人工智能（AI）自組網(wǎng)，自組網(wǎng)可以通過自己的通信協(xié)議直接接入監(jiān)控室，在偏遠地區(qū)的獨立區(qū)域也可以接入GPRS，WIFI等選項。用戶可根據(jù)具體應(yīng)用選擇不同無線方案。

1.1.3 自組網(wǎng)解決方案

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)解決方案。在下圖中，葉子節(jié)點代表每個監(jiān)測點；路由節(jié)點負責發(fā)現(xiàn)動態(tài)路徑，進行數(shù)據(jù)傳輸；協(xié)調(diào)節(jié)點負責管理傳感網(wǎng)，接受管理指令，并將數(shù)據(jù)送往控制中心。

超低能耗人工智能（AI）無線自組傳感網(wǎng)具有下列功能：

（1）支持協(xié)調(diào)節(jié)點，路由節(jié)點和葉子節(jié)點之功能；

（2）支持單播，組播和廣播之功能；

（3）支持星狀，樹狀，和網(wǎng)狀拓撲；

（4）每個路由可支持20個葉子節(jié)點；

（5）允許不同監(jiān)測終端混合布局，分別監(jiān)測不同物理、化學參數(shù)；

（6）支持動態(tài)路由，具有自我修復功能；

（7）監(jiān)測信息可經(jīng)由自組網(wǎng)，通過協(xié)調(diào)節(jié)點直接送往監(jiān)測中心；

（8）監(jiān)測信息也可經(jīng)由自組網(wǎng)，通過協(xié)調(diào)節(jié)點和局域網(wǎng)送往監(jiān)測中心。

監(jiān)控設(shè)備由電池或外部供電，路由和網(wǎng)關(guān)由外部供電，自組網(wǎng)沒有周期性費用，數(shù)據(jù)的私密性得到保證，見圖1。

圖1 超低能耗人工智能無線自組網(wǎng)解決

在偏遠地區(qū)的獨立區(qū)域內(nèi)，遠程的數(shù)據(jù)傳輸也可以通過移動營運商的網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備通過營運商與管理平臺交流，設(shè)備一般使用外部供電，每臺監(jiān)控設(shè)備可能需要支付移動服務(wù)費用。因數(shù)據(jù)通過營運商網(wǎng)絡(luò)，私密性明顯低于自組網(wǎng)方案。

在區(qū)域條件比較好、現(xiàn)場有必要設(shè)置監(jiān)控室的情況下，也可以通過監(jiān)控現(xiàn)場的WIFI路由與管理平臺交流，監(jiān)控設(shè)備由電池或外部供電，沒有周期性費用。

傳統(tǒng)監(jiān)測器需要為每臺設(shè)備鋪設(shè)數(shù)據(jù)線和電源線，大量部署時，成本十分可觀。如果在防爆區(qū)，每臺監(jiān)測設(shè)備往往單獨鋪設(shè)線路，工程尤為浩大。智能雙核自組網(wǎng)防爆探測器，無需鋪設(shè)數(shù)據(jù)線。其中探測包括溶氧量、透明度、氨氮、重金屬離子等在內(nèi)數(shù)十種傳感器系列探測器使用電池供電，徹底擺脫了有線狀態(tài)；在1～5 s高頻度巡檢，保持網(wǎng)絡(luò)通暢的前提下，續(xù)航時間4 a以上，此記錄達世界水準，目前全球同類產(chǎn)品中無出其右,極大程度降低和縮短了安裝維護的成本和時間。監(jiān)測重金屬離子等水體的E系列探測器，使用外部電源或充電電池驅(qū)動，可以達到PPB精度。超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的解決方案提供了全新的功能，具有杰出的靈活性，可塑性和伸展性，是水體檢測系統(tǒng)融入大型物聯(lián)網(wǎng)平臺，通向智慧地球目標的橋梁。

智能雙核自組網(wǎng)防爆水體物理指標探測器，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和管理平臺等組成。探測器用來探測水體污染及其在水體中的濃度；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)負責傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)；軟件平臺具有系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)處理，分級報警,動態(tài)分析等功能，如果需要可以提供預(yù)案或在線建議等。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊提供從終端設(shè)備到自組網(wǎng)和管理平臺的端到端水體監(jiān)控整體解決方案，通過常規(guī)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)信息送往監(jiān)測中心和移動終端，包括手機和PDA；也可以通過軟件集成，融入大規(guī)模新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)水體監(jiān)測解決方案可以用來全天候密集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有毒有害污染物的泄漏和排放情況。如發(fā)現(xiàn)異常，酌情進行分級報警，并通知相關(guān)工作人員和管理人員實時處理，避免發(fā)生重大災(zāi)難，人員傷亡和財產(chǎn)損失。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)水體監(jiān)測解決方案的應(yīng)用范圍大致分為以下幾類；

（1）各類工業(yè)園區(qū)，施工工地附近水體監(jiān)測管理；

（2）各類具有航道功能的水體監(jiān)測管理；

（3）天然河道、湖泊。

1.2 超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)智能雙核自組網(wǎng)水資源監(jiān)測節(jié)點傳感器基本功能

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)研發(fā)的基于最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能雙核自組網(wǎng)物理化學量探測器具有以下功能和特點：

（1）配備多個微處理器，協(xié)同工作，較之單處理器具有顯著優(yōu)勢；

（2）可加入無線動態(tài)自組傳感網(wǎng)，進行有效的數(shù)據(jù)交流；

（3）能夠與模擬和數(shù)字水體傳感器整合，有效監(jiān)測有毒有害有污染的水體數(shù)據(jù)；

（4）運用獨特的軟硬件技術(shù)，優(yōu)化傳感器的敏感性和分辨率；

（5）根據(jù)污染程度和客戶需求，自動分級報警；

（6）可探測PPM濃度和PPB濃度的目標物理量；

（7）支持溫度補償和傳感器年齡追蹤；

（8）支持智能自動調(diào)零糾偏功能；

（9）通過管理軟件,支持參數(shù)客戶化功能；

（10）可以具有防水防爆功能；

（11）在1～5 s巡檢頻度的條件下，續(xù)航4 a以上無需更換電池；

（12）技術(shù)上可以提供小屏幕，便于局部查看污染和設(shè)備運行狀況；

（13）支持磁性遙控開關(guān)，方便現(xiàn)場操作；

（14）精確，高效，靈活，低能耗，綜合性能達到國際水準。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)智能雙核自組網(wǎng)防爆水體探測器分為B系列和E系列。B系列由電池驅(qū)動，通常提供PPM精度，用來進行目標監(jiān)控；目標水體污染指標初設(shè)為溶解氧、透明度、氨氮等。使用電池驅(qū)動，在高頻度巡檢（數(shù)秒間隔）的情況下，續(xù)航數(shù)年無需更換電池。

除自組網(wǎng)外，超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)智能雙核自組網(wǎng)探測器還提供更多的網(wǎng)絡(luò)選擇，支持WIFI，2G/3G/4G等通訊方式，最后殊途同歸，納入同一物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)智能雙核自組網(wǎng)防爆水體B系列探測器覆蓋的目標水體見附3；E系列探測器覆蓋的目標水體見附4。

2 部署安裝選點

部署安裝選點示意見圖2。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的智能雙核自組網(wǎng)防爆水體探測器可以安裝于江海湖河任何需要監(jiān)控的位置，以間距50 m左右覆蓋安裝，通信距離超過150 m，在重合區(qū)域人工智能組網(wǎng)；協(xié)調(diào)節(jié)點則可通過USB與電腦直接相連，或USB服務(wù)器經(jīng)由局域網(wǎng)與電腦相連。

圖2 部署安裝選點示意圖

3 物聯(lián)網(wǎng)水體監(jiān)測管理平臺

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)水體監(jiān)測管理平臺是控制和管理系統(tǒng)的平臺。平臺可以部署在傳感網(wǎng)涵蓋的區(qū)域，也可以部署在與局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接的遠端設(shè)備上，以覆蓋大面積，多區(qū)域的工作生活場所。管理平臺由配置管理，配置代理，數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用代理，監(jiān)測預(yù)警，用戶管理，傳感網(wǎng)管理，群落管理，分區(qū)分組管理和統(tǒng)計管理，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等模塊所組成，主要具有以下功能：

（1）提供管理配置功能，如果需要提供地圖界面；

（2）提供圖象界面動態(tài)展示監(jiān)測結(jié)果；

（3）提供不同級別的警示功能，中心控制室可見報警窗口和鳴叫；

（4）可根據(jù)需要將報警信號送往相關(guān)人員手機；

（5）如果需要，可以提供應(yīng)急建議或指導；

（6）提供用戶管理和權(quán)限管理；

（7）提供監(jiān)測器群落管理和部署區(qū)域管理；

（8）維護歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的其他信息；

（9）提供系統(tǒng)維護管理并指導維護工作（如提醒更換傳感器和電池）；

（10）提供統(tǒng)計信息和其他管理功能；

（11）以后還將推出智能推理機和以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)的水體或液體流向分析；

（12）管理平臺可以與其它超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)管理系統(tǒng)融合，組成統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)管控平臺。

作為物聯(lián)網(wǎng)水體監(jiān)測管理平臺的補充，超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)計劃在適當?shù)臅r候推出配套的手持機移動管理平臺。手持機可以方便管理人員現(xiàn)場移動辦公，及時處理各類信息，提高辦公效率。在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或無法接通的區(qū)域，手持機可以支持在線或離線操作，以避免管理真空。

4 目前國內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的智能雙核自組網(wǎng)防爆水體探測器和其他物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及核心技術(shù)在國內(nèi)長周期電池供電監(jiān)測領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢。

在國際市場的競爭中，超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的優(yōu)勢在于：

（1）智能雙核自組網(wǎng)防爆水體探測器具有后發(fā)優(yōu)勢，使用更先進的芯片和多個微處理器開發(fā)平臺；

（2）提供更加豐富的系統(tǒng)功能和智能手段；

（3）國外同類產(chǎn)品（即具備無線自組傳感網(wǎng)功能）中，許多不具備防水防爆功能；

（4）制造開發(fā)成本低于國外，超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實際應(yīng)用中有優(yōu)勢；

（5）超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的管理平臺將引入人工智能和模糊數(shù)學等分析手段，從而將系統(tǒng)提高到新的高度；

（6）超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)的解決方案立足于融入大型物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，具有巨大的拓展空間。

5 結(jié)論

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊系統(tǒng)在水體監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，可以極大地提高水體污染監(jiān)控的效率和數(shù)據(jù)的準確性。人工智能自組網(wǎng)可以在單個節(jié)點損壞或者遭到人為破壞的情況下利用其它節(jié)點進行及時修復，保證通訊的順暢，提高系統(tǒng)可靠性。利用雙CPU設(shè)置保障系統(tǒng)穩(wěn)定性并且使通訊與物理采樣分開，同時可以實現(xiàn)系統(tǒng)休眠，從而保證系統(tǒng)的節(jié)能，使電池壽命可以延長到兩年至四年都不用更換，節(jié)約系統(tǒng)維護成本，并且降低項目實施難度，提高實施效率。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網(wǎng)通訊技術(shù)正在醞釀規(guī)劃工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管控一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)將融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用，集視頻監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集，安檢預(yù)警，專家系統(tǒng)和其他管理平臺于一體，形成統(tǒng)一的大型物聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)。水體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)將成為大型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一體化系統(tǒng)的一個子集，系統(tǒng)面向未來，將覆蓋持續(xù)增長。