面向農(nóng)村水廠的水質(zhì)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究

廖訚彧，朱政堅(jiān)，王 穎，李詩晴

(1.長沙市水質(zhì)檢測(cè)中心，湖南 長沙 410008；2.威勝信息技術(shù)股份有限公司，湖南 長沙 410205)

1 引言

國內(nèi)廣大農(nóng)村飲用水水源大部分來自江、河、湖、庫、山泉、雨水積蓄等地表水或淺層地下水.近年來，我國一直把水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)放在了中大型城市，而忽視了廣大農(nóng)村[1].隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以小型工礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)區(qū)域迅速發(fā)展，然而這些企業(yè)中相當(dāng)一部分屬于效益較差、能耗較大、環(huán)境污染嚴(yán)重的企業(yè)，其工業(yè)廢水的排放加上農(nóng)村養(yǎng)殖污染、大量農(nóng)藥化肥的使用以及居民的生活污水，致使村鎮(zhèn)飲用水水源污染日益嚴(yán)重[2].

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告的方式已經(jīng)不能充分、真實(shí)、及時(shí)地反映農(nóng)村水污染現(xiàn)狀，同時(shí)水廠原有的安防系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警、快速布控等功能.因此以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的水質(zhì)安全監(jiān)控手段需要應(yīng)用在村鎮(zhèn)飲用水水源等各個(gè)重要區(qū)域，以保障農(nóng)村飲用水安全[3-6].

2 系統(tǒng)概述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是根據(jù)協(xié)議利用感應(yīng)和通信技術(shù)完成信息傳遞處理任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人、物之間的數(shù)據(jù)交互.通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取傳感器、安防監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息并加以處理，以網(wǎng)絡(luò)信息交互實(shí)現(xiàn)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)、周界安防、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用，通過24小時(shí)不間斷、連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決農(nóng)村水廠存在的監(jiān)測(cè)非實(shí)時(shí)、預(yù)警不及時(shí)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不明確等問題.

2.2 總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一套面向農(nóng)村水廠的安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)并結(jié)合農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村水廠出廠水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠的周界防護(hù)以及設(shè)備的運(yùn)行維護(hù).如圖1所示，該系統(tǒng)主要由四層組成，包括：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層及應(yīng)用層.

(1)感知層.由各種傳感器與其他終端設(shè)備組成，通過各類傳感器對(duì)水質(zhì)的相關(guān)信息以及其他終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.

(2)網(wǎng)絡(luò)層.通過4G/GPRS/NB-IoT等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并負(fù)責(zé)對(duì)各采集點(diǎn)能源信息的采集和監(jiān)控，以滿足平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)終端的數(shù)據(jù)交換.

(3)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層.提供傳感器與云端的上下行通道，支撐設(shè)備上報(bào)與指令下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和執(zhí)行設(shè)備控制.同時(shí)具備強(qiáng)大的兼容性及穩(wěn)定性，使不同型號(hào)的終端產(chǎn)品快速實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并更快地調(diào)用第三方服務(wù).

(4)應(yīng)用層.包含水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行管理、周界安防告警、組織管理、系統(tǒng)管理等綜合應(yīng)用，同時(shí)保證平臺(tái)的靈活性、可擴(kuò)展性、安全性以及并發(fā)處理能力，適應(yīng)集約化管理和業(yè)務(wù)發(fā)展的需要.

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用特點(diǎn)

水質(zhì)安全監(jiān)控系統(tǒng)(圖2)以前端感知設(shè)備為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為核心，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分布式、面向服務(wù)、通用開放式的架構(gòu)，為數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制提供必要的實(shí)時(shí)通信技術(shù)保證，其主要特點(diǎn)如下：

(1)大容量大并發(fā)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)使用了分布式框架，通過分布式技術(shù)和負(fù)載均衡技術(shù)，大大加強(qiáng)了平臺(tái)的接入量，使得平臺(tái)有百萬級(jí)設(shè)備接入的能力和萬級(jí)并發(fā)數(shù)據(jù)的能力.

(2)多語言多平臺(tái)

消息隊(duì)列具有多協(xié)議、多開發(fā)語言、多平臺(tái)的能力，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通過使用消息服務(wù)的方式把數(shù)據(jù)推送給各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)， 不論應(yīng)用系統(tǒng)是什么平臺(tái)都支持，保證多語言多平臺(tái)化，兼容所有應(yīng)用系統(tǒng)的接入.

(3)實(shí)時(shí)性

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)使用了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的方式存儲(chǔ).高速、按時(shí)存取和處理數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)操作能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成.平臺(tái)還可以使用MQTT消息機(jī)制，通過消息發(fā)布和訂閱的方式，實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性.

(4)穩(wěn)定性

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)使用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和框架，通過前置機(jī)和感知層的設(shè)備連接，確保平臺(tái)通信傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠，確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.

(5)準(zhǔn)確性

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和感知層設(shè)備之間約定了相關(guān)通信協(xié)議，通過對(duì)協(xié)議的嚴(yán)格校驗(yàn)和處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

(6)安全性

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)之間有嚴(yán)格的賬號(hào)授權(quán)和校驗(yàn)機(jī)制，并且數(shù)據(jù)使用了加密機(jī)制，嚴(yán)格管控密鑰，只有授權(quán)的應(yīng)用子系統(tǒng)才能獲取到數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全性.

(7)開放性

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)可以通過各種接口方式，比如Web service接口分發(fā)、數(shù)據(jù)庫的分發(fā)、MQTT消息機(jī)制的分發(fā)，把數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放性.

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

水質(zhì)安全監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，并能與第三方系統(tǒng)進(jìn)行良好的集成.用戶可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)，通過互聯(lián)網(wǎng)查看水質(zhì)狀況及設(shè)備運(yùn)行狀況.該系統(tǒng)目前主要包括三大模塊，分別是水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)模塊、設(shè)備運(yùn)行管理模塊、安全防護(hù)模塊.

(一)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)模塊

通過與GIS地圖結(jié)合可以實(shí)時(shí)查看各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的詳細(xì)情況.包括各個(gè)點(diǎn)位的位置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，并以曲線的形式展現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，使用戶能夠更加直觀地監(jiān)控各時(shí)段的水質(zhì)情況，同時(shí)可對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行告警閾值設(shè)定，其參數(shù)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以不同顏色進(jìn)行告警提醒.

(二)設(shè)備運(yùn)行管理模塊

可對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行增、刪、改、查等操作，對(duì)傳感器運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)可查看故障詳情.

(三)周界安防管理模塊

通過視頻監(jiān)控對(duì)水廠周界進(jìn)行安全防護(hù)，同時(shí)可對(duì)人員設(shè)置授權(quán)名單，當(dāng)未授權(quán)人員進(jìn)入重點(diǎn)區(qū)域時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，管理人員可通過調(diào)取實(shí)時(shí)監(jiān)控查看相關(guān)情況.

2.5 技術(shù)研究重點(diǎn)

2.5.1 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)框架

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)模塊是水質(zhì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)以傳感器為基礎(chǔ)，運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)從水樣采集到數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)的綜合性系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)以及在線管理.物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的設(shè)備管理、控制和數(shù)據(jù)清洗，為科學(xué)化的決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐.系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理，并對(duì)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)管，對(duì)事件進(jìn)行提前預(yù)警和及時(shí)告警.同時(shí)系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化接口，便于數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程訪問.

(2)系統(tǒng)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水源地及飲用水的水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度、余氯等參數(shù)，并可擴(kuò)展其他監(jiān)測(cè)功能；當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)、水質(zhì)分析設(shè)備故障、現(xiàn)場(chǎng)供電異常時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析功能，可自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表和趨勢(shì)曲線；具備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷等智能管理功能；系統(tǒng)軟件支持與其他平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，以快速應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件.

(3)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)采用模塊化、分布式設(shè)計(jì)模式(圖3)，系統(tǒng)模塊功能耦合度低，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，解決接入設(shè)備多、數(shù)據(jù)采集密度大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，訪問并發(fā)規(guī)模大的問題.當(dāng)一個(gè)采集或者前置機(jī)無法滿足大規(guī)模設(shè)備的時(shí)候，通過消息隊(duì)列的工作方式，可以開啟多個(gè)相同的采集或前置機(jī)程序來水平擴(kuò)容，不需要大規(guī)模增加硬件配置.

統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，解決不同廠家、不同型號(hào)產(chǎn)品接入方式多種多樣、接入難的問題.

統(tǒng)一采集平臺(tái)(圖4)，采用協(xié)議動(dòng)態(tài)庫模式，設(shè)計(jì)規(guī)約解析模塊功能，將不同廠家設(shè)備協(xié)議進(jìn)行抽象處理，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議設(shè)備的快速接入，大大降低系統(tǒng)二次開發(fā)工作量.系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)框圖如圖5.

2.5.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信是構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是水質(zhì)安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的前提要求.NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的重要構(gòu)成之一，具備超強(qiáng)覆蓋、超低功耗、超大連接、超低成本等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注.在本系統(tǒng)中主要采用NB-IoT通信.原理圖如圖6.

2.6 整體應(yīng)用效果

2.6.1 技術(shù)參數(shù)

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表2 通信技術(shù)主要技術(shù)參數(shù)

2.6.2 整體應(yīng)用效果

(1)案例分析

目前在長沙某農(nóng)村水廠已上線使用智慧運(yùn)營系統(tǒng)(圖7、圖8)，通過前端設(shè)備的搭建完成了pH、濁度、余氯、溫度、電導(dǎo)率、溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將安防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及設(shè)備接入智慧運(yùn)營系統(tǒng)，為水廠周界安全保駕護(hù)航.

(2)成效分析

(a)降低人工成本，提高監(jiān)測(cè)效率

本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水域水質(zhì)的變化情況，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)布控、提前預(yù)警；降低人為檢測(cè)頻率，降低人工成本；提高監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)提高了城市供水水質(zhì)監(jiān)管能力.

(b)助力生產(chǎn)安全，提高安防等級(jí)

在水廠各主要工藝段和重點(diǎn)安保區(qū)域安裝攝像機(jī)，對(duì)生產(chǎn)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)非法入侵和破壞活動(dòng)實(shí)時(shí)告警.

(c)實(shí)時(shí)監(jiān)管設(shè)備，確保穩(wěn)定運(yùn)行

對(duì)各類終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)告警反饋.

(d)打通數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通

使各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)終端設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各終端數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通.通過系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控報(bào)警數(shù)據(jù)等進(jìn)行整合，并將數(shù)據(jù)結(jié)果以曲線的形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)；對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，可比較感興趣時(shí)段的各水質(zhì)變化情況.

3 結(jié)語

通過對(duì)長沙農(nóng)村各水廠相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況的調(diào)研和分析，對(duì)目前人工檢測(cè)成本高、安全防護(hù)不到位、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無監(jiān)控等弊端，提出以傳感器為基礎(chǔ)、以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為核心的水質(zhì)安全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，使用戶能夠?qū)崟r(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)狀況以及設(shè)備運(yùn)行情況并做好周界防護(hù).利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等技術(shù)建立的智慧運(yùn)營系統(tǒng)，不僅為長沙農(nóng)村水質(zhì)環(huán)境提供有效保障，也為全面提升農(nóng)村乃至城市供水水質(zhì)環(huán)境和應(yīng)急保障能力提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐.