基于物聯網的自來水管網水質監測系統研究

常耀輝，馬天宇

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基于物聯網的自來水管網水質監測系統研究

常耀輝，馬天宇

（揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225127）

如今在智能科技快速發展背景下，互聯網+的理念已經深入到了我國的各行各業，并成為國家發展的重要方向，物聯網技術則是其中的關鍵所在。將物聯網與城市自來水安全監測聯系起來，在監測自來水中pH值、色度、渾濁度等常規參數的同時，還增加了對COD的監測，并通過監測自來水管網中的水壓來保障管網的安全。采集到的所有數據最后將上傳至云數據庫，并通過云計算，對所收集數據進行分析、整合，最后形成詳盡的數據模型并傳入終端與各個有關政府部門和企業進行數據分享，人們也能通過手機客戶端查看部分水質實時數據。

物聯網；自來水；水質監測；管網壓力

水、空氣、食物是人類生命和健康的三大要素。自來水是城鄉居民的主要供水方式，自來水水質直接關系著居民的人生安全和身體健康。我國在2007-07-01，正式實施《生活飲用水衛生標準》，標準提出了106個水質指標（42項常規指標、64項非常規指標）。標準規定了自來水公司要對出廠水和管網水定時進行檢測，市疾控中心對居民家中龍頭水進行抽樣檢測。粗略計算，對1個水質指標檢測1次，平均需要200元左右，106個水質指標都檢測1次，需要2萬多元，這樣的價格對一個鄉鎮自來水公司來說是不可企及的。

以上海這樣的特大城市為例，自來水公司每年對4項非常規指標檢測2次，對42項常規指標檢測每月1次。每月只檢測2次7項指標，對管網水檢測采取抽樣的方法，不能確保每個居民小區的管道水達標。實際上，即使自來水在出廠時是達標的，但在管道輸送過程中還會受到新的污染，比如鐵銹、細菌、氯等，會對人體產生不小的危害。以往的檢測，大多都是在現場采集水樣，送到化驗室檢測，這不僅耗費了大量的時間和經費，還不能及時、準確地反映自來水水質。而隨著人們生活水平的提高，對自來水質量越來越關心，對水質量監測的透明化需求也有所提高。在智能網絡時代下的物聯網技術幫助解決了在線自來水監測這個難題，將物聯網與城市自來水監測相結合，形成完整的城市自來水系統，對自來水的水質、自來水管網的安全進行全面的監測，將其與互聯網連接后，通過云計算將所有的監測數據分享到云端平臺，可供部門、企業和個人監督。因此，研究一種性能高、成本低、易維護，適合在中小城市和鄉鎮的自來水廠、居民小區推廣的自來水水質監測系統迫在眉睫。

1 物聯網技術概述

物聯網最早由比爾·蓋茨在《未來之路》中提出，早期含義是把所有物品與互聯網相連。我國2010年在《政府工作報告》中將物聯網注釋為“物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3]”。其實物聯網的應用就是將傳統的電子設備和計算機互聯網相結合，形成信息和數據的信號交流，把我們身邊各個具體的物體相互連接起來，讓它們相互之間交流和通信的技術，并對物體實現智能化控制、管理和跟蹤的智能網絡。要通過建立一個物聯網系統來實現對城市自來水系統的全面監測，需要將監測設備分布在各個用水的重要節點上，監測系統將自動對自來水管網中的各個水質數據進行實時監控，并對管網中水壓進行實時監測，在水質受到污染或管網受到損壞后，將自動報警[4]。

2 對系統的研究和設計

自來水水質監測物聯網的基本框架分為感知層、網絡層和應用層。感知層主要為水質監測裝置采樣節點的感知，它主要包括對水質和水壓的監測傳感器、各種數據分析器、顯示儀表等，傳感器主要采用pH傳感器、余氯傳感器、光學傳感器、壓力傳感器等。網絡層是無線傳輸網絡，主要是將感知層所采集的數據，進行處理后通過無線傳送裝置，最后上傳至云服務器中。應用層是云計算技術和信息數據庫，當網絡層將傳感器所監測的信息上傳至服務器后，這些數據會通過云計算將數據進行處理、分析，在數據異常時做出報警提示，并及時給出合理的解決方案，再保存至大數據庫中。

2.1 自來水水質監測

要確保自來水水質的安全，需要將水質監測傳感系統安裝在自來水管網的重要部位，因為自來水已經通過自來水廠的精致凈化，所以水質監測系統更專注于對管道的二次污染和化學物質殘留問題進行監測，通過傳感器將水質中的pH值、色度、渾濁度、COD等各項數據進行監測。色度與濁度將通過光學傳感器，根據紅、綠、藍三種波長不同的光源的散射光強度來分析。而pH值與余氯的數值將通過傳感器將水質數據轉換為電壓信號，并最終通過A/D轉換器轉化為數字信號。為了更好、更快地收集和處理數據，實時的信息數據都會通過無線傳輸模塊，上傳至云服務器中。

2.2 自來水管網壓力監測

通過大量的理論分析和實際現場采集的大量數據，我們不難發現自來水管網在正常輸送的情況下，管內自來水水壓為一個較為穩定的數值。而在管網發生破裂后，水壓則會迅速下降，下降的程度與管道的破裂程度有直接的關系。因此可以通過對自來水管網水壓實時監測，并設置一個水壓限度和變化率的報警信號來及時發現管網的異常。低功率的設備運行也將會是壓力監測系統的一大特點，其工作狀態可以分為休眠狀態、采集狀態、發送狀態3個狀態，在休眠與采集狀態下的設備將處于超低工作電流狀態，以此來大大降低系統的功耗。

2.3 無線傳輸網絡結構

在各個傳感器將水質和水壓的數據采集后需要及時上傳至云服務器中，無線傳輸裝置在其中起著至關重要的作用。如今智能傳輸技術的發展，也使得我們的無線傳輸裝置有了更好的技術支撐和發展前景。

無線傳輸網絡主要是在裝置可接收范圍內，以一定的算法高效地監測范圍內的節點，并優化現有的網絡資源，在使用期間最大程度地利用網絡節點，高效地傳輸數據字節，大大降低功耗，提高利用率。在裝置不同分布和要求的情況下，規劃范圍內節點的具體數目及放置位置，在達到一定要求的情況下，盡量減少對網絡使用的消耗[1]。

2.4 云計算與手機客戶端設計

在對自來水管網中水質和水壓進行監測的過程中，會產生大量的實時數據，而且必須對這些數據進行及時處理、分析，才能及時監測管網中的水質和水壓問題，并提出具體改善意見。與此同時，建設、完善城市自來水管網信息的大數據庫，對水廠和管網等方面的數據進行收集，存儲數據資料，將水廠、加壓站、自來水管網中的水質與水壓和數據庫用戶的各種數據整合起來，以便于分析和管理。而通過水質監測系統所得到的水質信息，將通過A/D轉換器轉化為數字信號，并利用互聯網將這些數據實時上傳到大數據庫中。數據庫中的所有數據都會以共享信息的方式，再經過云計算技術進行詳細處理和分析，形成完整、詳盡的水務信息，最后分享給各個企業、自來水廠、政府有關部門等，而移動客戶端的手機用戶也可以在通過身份驗證后，對實時相關的水質信息進行查詢[2]。

3 結論

本系統以物聯網為基礎，將無線傳感技術、大數據分析、云計算等技術結合起來，實現了對城市自來水管網中色度、渾濁度、COD的智能監測，并將所監測數據實時上傳以保證監測效果，而對管網中水壓的監測是對管網破裂、漏水進行有效監測，并形成實時預警。對水質和水壓的數據監測會大幅度減少人工監測，檢查的時間與成本更易建設城市管網監測大數據庫，形成全市、全省甚至全國自來水管網的統一智能化管理。因此，該系統有廣泛的實用價值和推廣價值。

［1］武延坤，陳益清，雷萍.水質監測技術現有問題分析及物聯網應用框架［J］.中國給水排水，2012（22）：9-13.

［2］李杰鴻.水質監測技術現有問題分析及物聯網應用框架探討［J］.化工設計通訊，2017，43（3）：45.

［3］李軍會.物聯網在水質監測中的應用淺析［J］.資源節約與環保，2015（7）：107.

［4］朱小紅.基于物聯網的水質在線監測系統設計［J］.黑龍江科技信息，2014（21）：136.

2095－6835（2018）20－0079－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.079

〔編輯：嚴麗琴〕