在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

三亞學(xué)院 崔瑞秋 梅 翔

三亞學(xué)院翟明國院士工作站 三亞學(xué)院 辛光紅 楊 波

本文闡述了基于云平臺的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，研究主要集中在監(jiān)測浮臺設(shè)計和云平臺的數(shù)據(jù)模板搭建與終端到云平臺之間信息傳輸?shù)膶嵤?。利用現(xiàn)有的云平臺搭建了個性化需求的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，使用串口模擬與串口調(diào)試軟件來模擬云平臺與水質(zhì)監(jiān)測終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，并以數(shù)據(jù)可視化的方式直觀展示水體數(shù)據(jù)。針對水質(zhì)監(jiān)測方面需求的云平臺系統(tǒng)，通過現(xiàn)場檢測和實時在線監(jiān)測相結(jié)合，配合信息化系統(tǒng)和應(yīng)用終端，幫助環(huán)保系統(tǒng)集成商或有關(guān)部門及時、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)信息，為預(yù)警預(yù)報重大流域性水質(zhì)污染事故，監(jiān)管污染物排放，以及監(jiān)督總量控制制度落實等提供幫助。

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染，水質(zhì)日益惡化的問題日益明顯。未經(jīng)處理的工業(yè)廢水與生活污水排入水環(huán)境，不僅會危害人體健康，更會破壞水體的生態(tài)平衡，造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。此外，水體情況與水體中的污染物成分越來越復(fù)雜，對于檢測的需求也更加多樣化。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)趨近成熟的當(dāng)下，開發(fā)適合國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測特點的在線監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，各類水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備通過有線或無線的通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到水質(zhì)監(jiān)測中心的監(jiān)控平臺上。隨著新監(jiān)測區(qū)域和站點的不斷出現(xiàn)，觀測的數(shù)據(jù)量也會越來越多，對監(jiān)測中心服務(wù)器的存儲和計算能力有著較高的要求。同時要求監(jiān)測中心的平臺具有良好的可擴展性和性價比，這些特征要求監(jiān)測系統(tǒng)必須與云計算技術(shù)相結(jié)合。

1 研究的技術(shù)路線

本研究在總結(jié)現(xiàn)在水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)上，優(yōu)選跟城鎮(zhèn)內(nèi)河（湖）水質(zhì)相關(guān)的監(jiān)測指標(biāo)，并根據(jù)選擇的指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的研制，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時無線傳輸功能，并開發(fā)數(shù)據(jù)接收、分析和管理的軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動記錄、自動數(shù)據(jù)上傳、自動預(yù)警功能，同時滿足數(shù)據(jù)的集成共享和數(shù)據(jù)對接功能，以達(dá)到構(gòu)建城鎮(zhèn)內(nèi)河（湖）水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的目的，可為生態(tài)文明建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核等提供技術(shù)支撐。具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究的技術(shù)路線

圖2 浮臺主體結(jié)構(gòu)

圖3 通信傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 浮臺主體設(shè)計

浮臺主體結(jié)構(gòu)主要包括水質(zhì)在線監(jiān)測傳感器、內(nèi)筒、外筒、泡沫內(nèi)芯、防水半球罩、信號燈、太陽能電池板、蓄電池等部分構(gòu)成。浮筒外筒用于保護(hù)水質(zhì)傳感器，且外筒下部開有透水窗，保證被監(jiān)測水體在傳感器周邊的正常流通，確保水質(zhì)的原位監(jiān)測需求。浮筒內(nèi)筒為防水結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝有泡沫內(nèi)芯，起到調(diào)節(jié)整個浮筒重心和浮力的作用，保證整個浮標(biāo)體在水面的的正立姿態(tài)及調(diào)節(jié)傳感器監(jiān)測水深的作用，同時，泡沫內(nèi)芯開有電池安置空腔，用于供電系統(tǒng)中儲能電池的放置。太陽能電池板和蓄電池為整個裝置的供能單元，信號燈為裝置設(shè)備運行各狀態(tài)的指示燈和警示燈。防水半球罩用于保護(hù)太陽能電池板及內(nèi)部電子元器件，使其免受風(fēng)浪及外落雜物的干擾。浮臺主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)硬件由供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理兩大部分構(gòu)成。供電系統(tǒng)由蓄電池組和太陽能光伏充電部分組成。太陽能產(chǎn)生的電能一部分驅(qū)動負(fù)載、一部分為蓄電池組充電。數(shù)據(jù)處理部分由控制器、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。太陽能ui采用產(chǎn)品化的太陽能供電控制系統(tǒng)，設(shè)計功率12V20W，容量連續(xù)工作7天，滿足海南連續(xù)陰雨天氣狀況設(shè)計。

3.1 在線監(jiān)測水質(zhì)傳感器

傳感器是在線監(jiān)測裝置的核心組成部分之一，在線水質(zhì)傳感器應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)方法或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，鑒于在線監(jiān)測設(shè)備長期運行和后期的運營維護(hù)考慮，所采有的傳感器應(yīng)該盡可能的使用同一品牌的國內(nèi)外知名產(chǎn)品，同時應(yīng)該具有低功耗、可靠性強、測量精度高、運行成本低等特點，可以長時間的穩(wěn)定運行。本研究采用統(tǒng)一集成了常規(guī)五參數(shù)（水溫、PH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）及氨氮、化學(xué)需氧量（COD）等7個指標(biāo)。

3.2 在線監(jiān)測控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)控制模塊主要功能是控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計采用MicroPython開源固件。MicroPython 是一個緊湊的電子電路板，提供一個低級的Python操作系統(tǒng)，可以用來控制各種電子項目。MicroPython包含了很多高級特性，比如交互式提示、任意精度整數(shù)、閉包、列表理解、生成器、異常處理等等。但它足夠緊湊，只需256k的代碼空間和16k的RAM就可以安裝和運行。本系統(tǒng)采用的MicroPython編程主要優(yōu)勢在于操作簡單，不需要仿真調(diào)試，輸入代碼可以立刻看到結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用了標(biāo)準(zhǔn)RS-485和Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)傳感器的可靠數(shù)據(jù)傳輸，兼容市場上大多數(shù)的水質(zhì)數(shù)字傳感器，可擴展性強。RS-485通信使用差分信號傳輸，有效的抑制了共模干擾，排除了設(shè)備安裝過程中線纜、空間布局的差異等因素對傳輸數(shù)據(jù)的影響。數(shù)據(jù)傳輸采用了CRC冗余校驗，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

當(dāng)前常見的無線通信技術(shù)有Bluetooth、UWB、GPRS、GSM、Infrared(IR)CDMA、ZigBee、Wi-Fi和等RFID ，還有窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)通信。由于水質(zhì)信息不會短時間內(nèi)發(fā)生躍變，本課題充分利用NB-IoT的低功耗性能降低建設(shè)成本，由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向不需要過多的雙向通信，只需要云平臺單一的接收數(shù)據(jù)，因此在一定程度上減低了通信費用。數(shù)據(jù)傳輸模塊是通過NB-IoT技術(shù)無線傳輸，控制器將傳感器采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存和管理，同時接受管理平臺發(fā)送的控制指令控制檢測裝置。通信傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

4 云平臺部署

基于云平臺的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：水下觀測層，云服務(wù)平臺和應(yīng)用層。其中水下觀測層由觀測站，水下網(wǎng)絡(luò)及在線水質(zhì)檢測設(shè)備等物理儀器組成，負(fù)責(zé)收集，監(jiān)控水質(zhì)的各方面所需的數(shù)據(jù)，并第一時間無線通信的方式上傳到云服務(wù)器平臺的數(shù)據(jù)庫。云平臺可以為用戶儲存數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，將數(shù)據(jù)反饋到應(yīng)用層。應(yīng)用層主要基于B/S結(jié)構(gòu)，即用戶只需要安裝瀏覽器，便可以使用云平臺為用戶提供的一切服務(wù)，包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，歷史數(shù)據(jù)可視化，用戶權(quán)限注冊以保證數(shù)據(jù)安全性，提供用戶訪問平臺的數(shù)據(jù)接口。以實現(xiàn)用戶在手機或電腦上就能遠(yuǎn)程管理所有監(jiān)測點，獲取各個基站發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括基本信息、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、報表、圖表等。同時將以圖的方式展示監(jiān)測點的分布位置，可快速掌握轄區(qū)內(nèi)被監(jiān)管點的監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)警情況。

圖4 運行實測圖

用戶需要自行編寫數(shù)據(jù)模板，填寫名稱，數(shù)據(jù)類型，寄存器地址等等參數(shù)。設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，采用Modbus RTU格式上傳至云平臺，本文中采用XCOM與USR-VCOM軟件進(jìn)行模擬推送以測試基站推送數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化的效果。經(jīng)過設(shè)置后，云平臺能夠以地圖和列表的兩種方式來管理水質(zhì)監(jiān)測終端設(shè)備收集到的信息。其中GPS地圖可以直觀地看到終端設(shè)備在地理位置上的分布，運作情況。而列表則可以以終端為單位，瀏覽每一個終端在不同時段收集到的全部數(shù)據(jù)，也能夠以數(shù)據(jù)模板為單位，總覽某項數(shù)據(jù)在不同終端上的全部監(jiān)測結(jié)果，以此達(dá)到綜合分析水體狀況的目的，滿足多樣化的數(shù)據(jù)分析需求。

在云平臺收集到水體數(shù)據(jù)之后，能夠以可視化圖像的直觀形式來展示水體數(shù)據(jù)，包括設(shè)備數(shù)，報警數(shù)等等。同時可以將數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)化為折線圖等數(shù)字圖像，直觀反映水質(zhì)監(jiān)測終端的水體溫度，酸堿PH值，微量元素在一日或更長時間周期內(nèi)的變化。

5 云監(jiān)測運行及測試

云監(jiān)測可以提供有人通訊設(shè)備的全面監(jiān)控，包括設(shè)備在線數(shù)，設(shè)備型號分布，及固件分布，設(shè)備實時報警信息等，提供全方位的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化展示。云平臺及設(shè)備實測如圖4所示。

總結(jié)：本項目的研究實施得到了國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及海南中南標(biāo)質(zhì)量科學(xué)研究院的資金和技術(shù)支持。截止目前為止，本研究已研發(fā)成功水質(zhì)在線監(jiān)測裝置樣機，該樣機體積小巧，成本低，功耗小，能實現(xiàn)24h高頻次的連續(xù)實時采集及傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，長時間連續(xù)運行穩(wěn)定，上線的水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的各項功能，主要包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、預(yù)警和報警、數(shù)據(jù)顯示與查詢、 數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計及推送、數(shù)據(jù)權(quán)限控制、管理權(quán)限控制、多設(shè)備查詢與管理和地圖定位和防盜等，初步滿足了預(yù)期設(shè)計要去。具備了在一定區(qū)域內(nèi)全面設(shè)點、聯(lián)網(wǎng)、自動記錄、自動數(shù)據(jù)上傳、自動預(yù)警的在線監(jiān)測裝置的要求，具備了搭建城鎮(zhèn)內(nèi)河（湖）水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺的基礎(chǔ)，能完成特定監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警功能。本設(shè)計水質(zhì)檢測裝置及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，除了應(yīng)用于城鎮(zhèn)內(nèi)河（湖）、水庫等水體的水質(zhì)在線檢測和預(yù)警以外，在其他水體的水質(zhì)和水文變化趨勢，黑臭水體治理、藍(lán)藻爆發(fā)預(yù)測，河流生態(tài)的水文機制，湖泊、濕地生態(tài)狀況和功能生態(tài)修復(fù)及評價，水利工程對生態(tài)系統(tǒng)（水質(zhì)、物質(zhì)循環(huán)、泥沙淤積和生物多樣性等）的影響，水文水質(zhì)對水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響以及突發(fā)性污染事件檢測和預(yù)警等諸多方面，都將具有廣闊的應(yīng)用前景。