基于無人船的水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)研究與設(shè)計(jì)

項(xiàng)慧慧，王吉祥，徐 森，孟海濤

(鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程系，江蘇 鹽城 224051)

0 引 言

生態(tài)環(huán)境保護(hù)是國家“十四五”規(guī)劃中一項(xiàng)重要內(nèi)容。作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的中心，水資源是人類生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最重要的前提條件。隨著中國城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模越來越大，城市面臨十分嚴(yán)峻的水資源短缺問題。但與此同時(shí)，水資源現(xiàn)狀卻不斷惡化，由于工業(yè)廢水、生活污水亂排放等導(dǎo)致的城市水污染事件頻頻發(fā)生，嚴(yán)重影響城市居民生活用水安全。因此，建立水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)監(jiān)測能力，提升水資源管理水平以維護(hù)水資源安全是一項(xiàng)亟待解決的生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題。現(xiàn)有主要依靠人工檢測或固定站點(diǎn)監(jiān)測的水環(huán)境監(jiān)測方法，檢測周期長，時(shí)效性差，無法適應(yīng)水污染事件應(yīng)急處理需要，更無法做到預(yù)防水污染事件發(fā)生。

當(dāng)前隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各行各業(yè)的深度融合，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)已成為智慧城市建設(shè)的重點(diǎn)工作。朱慧博等設(shè)計(jì)了基于固定傳感器監(jiān)測點(diǎn)、WiFi通信技術(shù)和阿里云平臺(tái)的水溫、PH值參數(shù)管理系統(tǒng)。張娜等設(shè)計(jì)了基于GPRS通信技術(shù)和服務(wù)器模式的水質(zhì)PH值固定監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)，利用無人船監(jiān)測水環(huán)境的方法由于其靈活、安全、能代替人工完成危險(xiǎn)或有毒水域的監(jiān)測任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前水環(huán)境監(jiān)測的研究熱點(diǎn)之一。Cao Huiru等設(shè)計(jì)了一種可以采集不同深度水質(zhì)的無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。Zhang Wei等設(shè)計(jì)了一種基于無人船和分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水質(zhì)監(jiān)測算法，以提高水質(zhì)監(jiān)測效率。王柏林等基于無人船和NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了一種采集PH值、溶解氧、水溫的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。張鑫業(yè)等基于無人船和4G通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種采集濁度、溶解氧、電解質(zhì)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。蔣星宇基于GPRS通信技術(shù)和無人船設(shè)計(jì)了一種采集濁度、溶解氧、酸堿度、電解質(zhì)、氨氮化含量的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。借鑒已有的研究成果，為了進(jìn)一步提高水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一套基于無人船和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測水體的PH值、濁度、溫度、視頻等綜合信息，通過5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至基于阿里云平臺(tái)搭建的水資源監(jiān)測云平臺(tái)，相關(guān)管理人員或管理部門可以通過Web端、手機(jī)APP等方式管理水環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于無人船的水環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括感知與傳輸層、智能決策層和應(yīng)用層三個(gè)層次，具體由固定水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及無人船監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、手機(jī)APP監(jiān)測終端四部分組成。感知與傳輸層由固定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)測水域內(nèi)分布有若干個(gè)固定監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，分別采集與之對應(yīng)的局部水域的水質(zhì)參數(shù)并傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的匯總并傳輸至水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)。為了彌補(bǔ)固定監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測方式不能適應(yīng)應(yīng)急監(jiān)測需要的缺陷，該系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)了基于無人船的移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，通過無人船船載水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集水質(zhì)參數(shù)，通過船載網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)借助于5G物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸至水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)。為了更為全面地監(jiān)測水質(zhì)信息，在無人船監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上同時(shí)設(shè)計(jì)部署了船載攝像頭采集水域環(huán)境視頻。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能決策層由水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)構(gòu)成，主要對采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)和視頻進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和管理，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的水質(zhì)數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)超限預(yù)警功能，從而為用戶的遠(yuǎn)程訪問和移動(dòng)訪問奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高服務(wù)器的運(yùn)行平穩(wěn)度和效率。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與用戶的交互工作，管理人員或工作人員可通過監(jiān)測網(wǎng)站或移動(dòng)終端APP查看各站點(diǎn)的實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及水環(huán)境視頻。此外，若水質(zhì)數(shù)據(jù)超限，移動(dòng)終端APP可向相關(guān)管理人員手機(jī)推送預(yù)警信息。

1.2 系統(tǒng)部署及運(yùn)行流程

系統(tǒng)部署及運(yùn)行流程如圖2所示。待測水域部署有多個(gè)監(jiān)測子網(wǎng)和無人船監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。固定和移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和封裝，借助5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過AT指令將數(shù)據(jù)傳輸至水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)。水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)通過TCP/IP Socket通信讀取水質(zhì)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行解析和處理，丟棄不必要的信息，然后按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式將水質(zhì)參數(shù)存入SQL數(shù)據(jù)庫中。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用Java Web技術(shù)搭建的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站，方便工作人員查看待測水域的水質(zhì)情況。此外，工作人員還可通過手機(jī)APP查看水質(zhì)情況。

圖2 系統(tǒng)部署及運(yùn)行流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

2.1 無人船監(jiān)測船系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 水質(zhì)監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置

以當(dāng)前研究成果中使用較多的PH值、濁度、水溫等水質(zhì)參數(shù)為測試對象，無人監(jiān)測船通過無人船搭載PH值、濁度、水溫監(jiān)測傳感器以及采集水域視頻的攝像頭，隨著無人船在監(jiān)測水域的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測水域水質(zhì)信息及水域環(huán)境視頻信息的采集。無人監(jiān)測船系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 無人監(jiān)測船系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集發(fā)送傳感器節(jié)點(diǎn)以CC2530處理器為核心，水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)由CC2530集成的低功耗、低速率ZigBee射頻模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以CC2530和WiFi通信模塊ESP8266為核心，其中CC2530與水質(zhì)數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)接收水質(zhì)數(shù)據(jù)，ESP8266模塊通過加入5G通信熱點(diǎn)的形式接入5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)水域覆蓋要求和無人船航速設(shè)置采集時(shí)間間隔Δ

t

(見公式1)，在無人船航行過程中，水質(zhì)監(jiān)測傳感器每隔Δ

t

時(shí)間采集水質(zhì)信息數(shù)據(jù)并傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

(1)

同時(shí)，在無人船航行過程中，通過無人船上搭載的攝像頭采集720P 25fps高清水域視頻，由船載視頻采集模塊進(jìn)行H.264編碼，然后通過5G通信模塊發(fā)送至水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能主要包括實(shí)現(xiàn)ZigBee通信技術(shù)到5G通信技術(shù)的轉(zhuǎn)換及與水質(zhì)監(jiān)測云平臺(tái)之間建立TCP/IP socket連接，主要由信號(hào)處理電路、ZigBee通信模塊、WiFi通信模塊及顯示屏組成(如圖3所示)。ZigBee通信模塊接收水質(zhì)監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，由微處理器給每一類水質(zhì)數(shù)據(jù)封裝上代表不同含義的頭部(封裝格式如表1所示)并以“ ”換行符為間隔組裝，經(jīng)由WiFi模塊通過加入5G熱點(diǎn)的形式，將數(shù)據(jù)通過 5G通信模塊傳輸至水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)。

表1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)封裝格式

2.2 水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)

水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)需要支撐基于TCP/IP socket網(wǎng)絡(luò)通信功能、水質(zhì)數(shù)據(jù)處理功能及Web網(wǎng)頁數(shù)據(jù)顯示功能，因此功能設(shè)計(jì)包括水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測接口設(shè)計(jì)、服務(wù)器后臺(tái)響應(yīng)接口設(shè)計(jì)及與Web前端數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)。

水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測接口基于TCP/IP socket網(wǎng)絡(luò)通信建立云平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信連接，接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中。設(shè)計(jì)方案如圖4所示。水質(zhì)監(jiān)測接口主要通過Socket套接字監(jiān)聽組裝后的水質(zhì)數(shù)據(jù)，使用readline()方法讀取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測接口讀取數(shù)據(jù)后按照數(shù)據(jù)組裝規(guī)則進(jìn)行字符串拼接截取，并通過set方法將提取的數(shù)據(jù)賦值給JavaBean以便于結(jié)構(gòu)化地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

服務(wù)器后臺(tái)響應(yīng)接口設(shè)計(jì)的主要功能是處理前端頁面用戶發(fā)出的啟動(dòng)監(jiān)測指令及顯示實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)、查看歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)等請求，及時(shí)對Web頁面及客戶端請求做出響應(yīng)處理。

圖4 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測接口設(shè)計(jì)

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端Web網(wǎng)頁使用JSP頁面模板引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)、歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化顯示。點(diǎn)擊Web界面的啟動(dòng)監(jiān)聽、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示等功能按鈕發(fā)起請求，然后通過web.xml配置中心查找相應(yīng)的邏輯處理，將對應(yīng)的請求交給相應(yīng)的Servlet處理類。Service層根據(jù)調(diào)用的處理類進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，再通過Dao層與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最后將處理結(jié)果返回至Web界面。總體設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 Web網(wǎng)頁端與云服務(wù)器端交互設(shè)計(jì)

2.4 水質(zhì)監(jiān)測手機(jī)APP設(shè)計(jì)

基于Android平臺(tái)水質(zhì)監(jiān)測手機(jī)APP設(shè)計(jì)主要由HTTP協(xié)議與服務(wù)器端通信、對JSON數(shù)據(jù)流的解析及基于安卓原生控件的應(yīng)用程序頁面組織構(gòu)建三部分組成。使用Android中的ViewPage+fragment控件對應(yīng)用程序頁面進(jìn)行整體構(gòu)建，通過WebView控件及HTTP協(xié)議與服務(wù)器端建立連接，在獲取數(shù)據(jù)流后進(jìn)行處理并通過adapter適配器最終顯示在由LinerLayout構(gòu)建的單個(gè)頁面中?；卷撁嫘问饺鐖D6所示。

2.4.1 水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)方案

當(dāng)用戶點(diǎn)擊進(jìn)入水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測頁面，將通過HTTP協(xié)議與服務(wù)器端進(jìn)行連接，并將獲取的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示在頁面上。當(dāng)用戶點(diǎn)擊進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)查詢頁面時(shí)，系統(tǒng)將獲取的數(shù)據(jù)以列表的形式顯示在歷史數(shù)據(jù)查詢頁面，具體流程如圖7所示。

圖6 頁面組織形式

圖7 數(shù)據(jù)顯示頁面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.2 地圖顯示設(shè)計(jì)方案

調(diào)用百度地圖SDK，獲取當(dāng)前水域位置，通過MapView控件顯示在手機(jī)頁面上，流程如圖8所示。通過訪問百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的應(yīng)用程序，從而更加清晰方便地展示目標(biāo)位置的周邊環(huán)境，更直觀地反映水環(huán)境信息。

圖8 百度地圖定位流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)測試及應(yīng)用地點(diǎn)為校園內(nèi)湖泊，在小范圍水域內(nèi)測試了系統(tǒng)功能，測試結(jié)果如圖9所示。根據(jù)應(yīng)用結(jié)果，該系統(tǒng)能通過遠(yuǎn)程控制無人船采集水域環(huán)境水質(zhì)數(shù)據(jù)和環(huán)境視頻并實(shí)時(shí)傳輸水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)，管理部門可以在監(jiān)控終端或手機(jī)APP上通過水質(zhì)信息和視頻全面監(jiān)測水環(huán)境狀況，有效保障居民生活飲用水安全。

(a)實(shí)時(shí)水質(zhì)信息

(b)水域環(huán)境視頻 圖9 測試結(jié)果

4 系統(tǒng)特色及應(yīng)用前景

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過固定節(jié)點(diǎn)監(jiān)測和移動(dòng)無人船監(jiān)測相結(jié)合的水環(huán)境監(jiān)測方法，并在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建了水環(huán)境監(jiān)測云平臺(tái)，最終完成基于5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和無人船的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的主要特色有：

(a)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了包含固定節(jié)點(diǎn)監(jiān)測和移動(dòng)無人船監(jiān)測的水質(zhì)綜合檢測方法，除了可以采集《無人船船載水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的水質(zhì)參數(shù)外，還設(shè)計(jì)了通過無人船船載攝像頭采集水域環(huán)境圖像及視頻信息，相比于現(xiàn)有基于無人船的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)僅采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的方法，更能全面反映水環(huán)境狀態(tài)。

(b)系統(tǒng)通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，配合信息化系統(tǒng)和應(yīng)用終端，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能符合《無人船船載水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于環(huán)保系統(tǒng)集成商或有關(guān)部門及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)信息，可為預(yù)警預(yù)報(bào)影響居民飲用水安全問題、監(jiān)管污染物排放以及監(jiān)督總量控制制度落實(shí)等提供幫助；也可以有效地結(jié)合當(dāng)前國家大力推行的河湖長制度，明確環(huán)保責(zé)任。

(c)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)待測水域水質(zhì)信息乃至全國范圍內(nèi)水質(zhì)信息的互聯(lián)互通，為后續(xù)水質(zhì)評(píng)估工作構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用無人船和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，能在不適宜人工作業(yè)的污染較重的惡劣水域進(jìn)行檢測水質(zhì)，既可以有效減少人工作業(yè)量，提高作業(yè)效率，也可以降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和無人化，能夠有效保障城市中小水域水環(huán)境安全。應(yīng)用實(shí)例也證明了該方案的可行性與穩(wěn)定性。由于無人船采用蓄電池供電限制了其作業(yè)范圍，在后續(xù)開發(fā)中將考慮設(shè)計(jì)并開發(fā)太陽能電源控制模塊，進(jìn)一步擴(kuò)大無人船監(jiān)測范圍，提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，后續(xù)工作中還需對城市內(nèi)中小水域的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測量和勘察，并完善無人船采水裝置、傳感器節(jié)點(diǎn)部署等設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。