淺談超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術在水資源監測中的應用

潘凡峰

（上海開山中夏節能環保科技有限公司，上海市 201401）

0 引言

隨著中國經濟迅速發展，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，目前我們國家已經建設過很多監測手段，包括有線的電纜、光纜，也包括無線的GPRS、衛星通信等技術手段。但因有線的方式經常性遇到盜竊、施工挖斷、地質災害等情況阻斷通信，而且在大范圍的野外條件下，尋找故障點、檢修非常困難。所以有線監測方式現在還是條件有限。而現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，同時任何一個節點出現故障都會自動彌補的智能自組網結構的監測系統。

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，現在可以加一些微量有機污染物，如除草劑、殺蟲劑、消毒副產物等的監測，針對性監測水體富營養化，有效預防藻類過量繁殖，產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）無線自組網通訊技術系統情況介紹

1.1 超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術的基本工作原理

1.1.1 技術特征介紹及應用范圍

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術是物聯網開發領域的核心技術，最初由國外相關領域的資深軟硬件的公司和專家所壟斷，打造下一代工業物聯網產品，提供高水準的解決方案；其產品將循序漸進地覆蓋工業監測，環境保護、公共安全等不同領域。運用最新無線傳感網技術和相關人工智能技術，傳輸可靠，安裝便捷；智能程度，監測強度和探測精度進一步提高；為實現大規模在線監控帶來了契機。

1.1.2 超低能耗人工智能（AI）無線自組網絡解決方案

超低能耗人工智能（AI）無線自組網絡解決方案，包括人工智能（AI）自組網，自組網可以通過自己的通信協議直接接入監控室，在偏遠地區的獨立區域也可以接入GPRS，WIFI等選項。用戶可根據具體應用選擇不同無線方案。

1.1.3 自組網解決方案

超低能耗人工智能（AI）無線自組網解決方案。在下圖中，葉子節點代表每個監測點；路由節點負責發現動態路徑，進行數據傳輸；協調節點負責管理傳感網，接受管理指令，并將數據送往控制中心。

超低能耗人工智能（AI）無線自組傳感網具有下列功能：

（1）支持協調節點，路由節點和葉子節點之功能；

（2）支持單播，組播和廣播之功能；

（3）支持星狀，樹狀，和網狀拓撲；

（4）每個路由可支持20個葉子節點；

（5）允許不同監測終端混合布局，分別監測不同物理、化學參數；

（6）支持動態路由，具有自我修復功能；

（7）監測信息可經由自組網，通過協調節點直接送往監測中心；

（8）監測信息也可經由自組網，通過協調節點和局域網送往監測中心。

監控設備由電池或外部供電，路由和網關由外部供電，自組網沒有周期性費用，數據的私密性得到保證，見圖1。

圖1 超低能耗人工智能無線自組網解決

在偏遠地區的獨立區域內，遠程的數據傳輸也可以通過移動營運商的網絡傳遞數據，監控設備通過營運商與管理平臺交流，設備一般使用外部供電，每臺監控設備可能需要支付移動服務費用。因數據通過營運商網絡，私密性明顯低于自組網方案。

在區域條件比較好、現場有必要設置監控室的情況下，也可以通過監控現場的WIFI路由與管理平臺交流，監控設備由電池或外部供電，沒有周期性費用。

傳統監測器需要為每臺設備鋪設數據線和電源線，大量部署時，成本十分可觀。如果在防爆區，每臺監測設備往往單獨鋪設線路，工程尤為浩大。智能雙核自組網防爆探測器，無需鋪設數據線。其中探測包括溶氧量、透明度、氨氮、重金屬離子等在內數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；在1～5 s高頻度巡檢，保持網絡通暢的前提下，續航時間4 a以上，此記錄達世界水準，目前全球同類產品中無出其右,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動，可以達到PPB精度。超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術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，是水體檢測系統融入大型物聯網平臺，通向智慧地球目標的橋梁。

智能雙核自組網防爆水體物理指標探測器，無線傳輸網絡和管理平臺等組成。探測器用來探測水體污染及其在水體中的濃度；無線傳輸網絡負責傳送監測數據和系統數據；軟件平臺具有系統管理，數據處理，分級報警,動態分析等功能，如果需要可以提供預案或在線建議等。

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

超低能耗人工智能（AI）無線自組網水體監測解決方案可以用來全天候密集監測區域內有毒有害污染物的泄漏和排放情況。如發現異常，酌情進行分級報警，并通知相關工作人員和管理人員實時處理，避免發生重大災難，人員傷亡和財產損失。

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

（1）各類工業園區，施工工地附近水體監測管理；

（2）各類具有航道功能的水體監測管理；

（3）天然河道、湖泊。

1.2 超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術智能雙核自組網水資源監測節點傳感器基本功能

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術研發的基于最新物聯網技術的智能雙核自組網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，協同工作，較之單處理器具有顯著優勢；

（2）可加入無線動態自組傳感網，進行有效的數據交流；

（3）能夠與模擬和數字水體傳感器整合，有效監測有毒有害有污染的水體數據；

（4）運用獨特的軟硬件技術，優化傳感器的敏感性和分辨率；

（5）根據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）支持智能自動調零糾偏功能；

（9）通過管理軟件,支持參數客戶化功能；

（10）可以具有防水防爆功能；

（11）在1～5 s巡檢頻度的條件下，續航4 a以上無需更換電池；

（12）技術上可以提供小屏幕，便于局部查看污染和設備運行狀況；

（13）支持磁性遙控開關，方便現場操作；

（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）無線自組網通訊技術智能雙核自組網防爆水體探測器分為B系列和E系列。B系列由電池驅動，通常提供PPM精度，用來進行目標監控；目標水體污染指標初設為溶解氧、透明度、氨氮等。使用電池驅動，在高頻度巡檢（數秒間隔）的情況下，續航數年無需更換電池。

除自組網外，超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術智能雙核自組網探測器還提供更多的網絡選擇，支持WIFI，2G/3G/4G等通訊方式，最后殊途同歸，納入同一物聯網管理平臺。

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術智能雙核自組網防爆水體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）無線自組網通訊技術的智能雙核自組網防爆水體探測器可以安裝于江海湖河任何需要監控的位置，以間距50 m左右覆蓋安裝，通信距離超過150 m，在重合區域人工智能組網；協調節點則可通過USB與電腦直接相連，或USB服務器經由局域網與電腦相連。

圖2 部署安裝選點示意圖

3 物聯網水體監測管理平臺

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術物聯網水體監測管理平臺是控制和管理系統的平臺。平臺可以部署在傳感網涵蓋的區域，也可以部署在與局域網和互聯網連接的遠端設備上，以覆蓋大面積，多區域的工作生活場所。管理平臺由配置管理，配置代理，數據庫，應用代理，監測預警，用戶管理，傳感網管理，群落管理，分區分組管理和統計管理，網絡服務等模塊所組成，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）提供圖象界面動態展示監測結果；

（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）可根據需要將報警信號送往相關人員手機；

（5）如果需要，可以提供應急建議或指導；

（6）提供用戶管理和權限管理；

（7）提供監測器群落管理和部署區域管理；

（8）維護歷史數據和數據庫中的其他信息；

（9）提供系統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學為基礎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）無線自組網通訊技術管理系統融合，組成統一的物聯網管控平臺。

作為物聯網水體監測管理平臺的補充，超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術計劃在適當的時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場移動辦公，及時處理各類信息，提高辦公效率。在常規網絡出現故障或無法接通的區域，手持機可以支持在線或離線操作，以避免管理真空。

4 目前國內外同類技術發展

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術的智能雙核自組網防爆水體探測器和其他物聯網產品及核心技術在國內長周期電池供電監測領域具有較大優勢。

在國際市場的競爭中，超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術的優勢在于：

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

（2）提供更加豐富的系統功能和智能手段；

（3）國外同類產品（即具備無線自組傳感網功能）中，許多不具備防水防爆功能；

（4）制造開發成本低于國外，超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊技術工業物聯網產品實際應用中有優勢；

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

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

5 結論

超低能耗人工智能（AI）無線自組網通訊系統在水體監測領域的應用，可以極大地提高水體污染監控的效率和數據的準確性。人工智能自組網可以在單個節點損壞或者遭到人為破壞的情況下利用其它節點進行及時修復，保證通訊的順暢，提高系統可靠性。利用雙CPU設置保障系統穩定性并且使通訊與物理采樣分開，同時可以實現系統休眠，從而保證系統的節能，使電池壽命可以延長到兩年至四年都不用更換，節約系統維護成本，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）無線自組網通訊技術正在醞釀規劃工業物聯網管控一體化系統，系統將融合工業物聯網各類應用，集視頻監控，數據采集，安檢預警，專家系統和其他管理平臺于一體，形成統一的大型物聯網管控系統。水體監測預警系統將成為大型工業物聯網一體化系統的一個子集，系統面向未來，將覆蓋持續增長。