在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三亞學(xué)院 崔瑞秋 梅 翔

三亞學(xué)院翟明國(guó)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(tái)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，研究主要集中在監(jiān)測(cè)浮臺(tái)設(shè)計(jì)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)模板搭建與終端到云平臺(tái)之間信息傳輸?shù)膶?shí)施。利用現(xiàn)有的云平臺(tái)搭建了個(gè)性化需求的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用串口模擬與串口調(diào)試軟件來(lái)模擬云平臺(tái)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面需求的云平臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(mén)及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)信息，為預(yù)警預(yù)報(bào)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(shí)等提供幫助。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水環(huán)境污染，水質(zhì)日益惡化的問(wèn)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(huì)危害人體健康，更會(huì)破壞水體的生態(tài)平衡，造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。此外，水體情況與水體中的污染物成分越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于檢測(cè)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(kāi)發(fā)適合國(guó)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，各類(lèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)有線或無(wú)線的通信方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)控平臺(tái)上。隨著新監(jiān)測(cè)區(qū)域和站點(diǎn)的不斷出現(xiàn)，觀測(cè)的數(shù)據(jù)量也會(huì)越來(lái)越多，對(duì)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器的存儲(chǔ)和計(jì)算能力有著較高的要求。同時(shí)要求監(jiān)測(cè)中心的平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性和性?xún)r(jià)比，這些特征要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須與云計(jì)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(cè)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(cè)指標(biāo)，并根據(jù)選擇的指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸功能，并開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)接收、分析和管理的軟件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)上傳、自動(dòng)預(yù)警功能，同時(shí)滿足數(shù)據(jù)的集成共享和數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(tái)主體結(jié)構(gòu)

圖3 通信傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 浮臺(tái)主體設(shè)計(jì)

浮臺(tái)主體結(jié)構(gòu)主要包括水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)傳感器、內(nèi)筒、外筒、泡沫內(nèi)芯、防水半球罩、信號(hào)燈、太陽(yáng)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(kāi)有透水窗，保證被監(jiān)測(cè)水體在傳感器周邊的正常流通，確保水質(zhì)的原位監(jiān)測(cè)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(gè)浮筒重心和浮力的作用，保證整個(gè)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(cè)水深的作用，同時(shí)，泡沫內(nèi)芯開(kāi)有電池安置空腔，用于供電系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池的放置。太陽(yáng)能電池板和蓄電池為整個(gè)裝置的供能單元，信號(hào)燈為裝置設(shè)備運(yùn)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(yáng)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(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yáng)能光伏充電部分組成。太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能一部分驅(qū)動(dòng)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(yáng)能ui采用產(chǎn)品化的太陽(yáng)能供電控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(jì)。

3.1 在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)傳感器

傳感器是在線監(jiān)測(cè)裝置的核心組成部分之一，在線水質(zhì)傳感器應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，鑒于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行和后期的運(yùn)營(yíng)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(guó)內(nèi)外知名產(chǎn)品，同時(shí)應(yīng)該具有低功耗、可靠性強(qiáng)、測(cè)量精度高、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，可以長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)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(gè)指標(biāo)。

3.2 在線監(jiān)測(cè)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(jì)采用MicroPython開(kāi)源固件。MicroPython 是一個(gè)緊湊的電子電路板，提供一個(gè)低級(jí)的Python操作系統(tǒng)，可以用來(lái)控制各種電子項(xiàng)目。MicroPython包含了很多高級(jí)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(yùn)行。本系統(tǒng)采用的MicroPython編程主要優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)傳感器的可靠數(shù)據(jù)傳輸，兼容市場(chǎng)上大多數(shù)的水質(zhì)數(shù)字傳感器，可擴(kuò)展性強(qiáng)。RS-485通信使用差分信號(hào)傳輸，有效的抑制了共模干擾，排除了設(shè)備安裝過(guò)程中線纜、空間布局的差異等因素對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的影響。數(shù)據(jù)傳輸采用了CRC冗余校驗(yàn)，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(jiàn)的無(wú)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(huì)短時(shí)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(guò)多的雙向通信，只需要云平臺(tái)單一的接收數(shù)據(jù)，因此在一定程度上減低了通信費(fèi)用。數(shù)據(jù)傳輸模塊是通過(guò)NB-IoT技術(shù)無(wú)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_(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理，同時(shí)接受管理平臺(tái)發(fā)送的控制指令控制檢測(cè)裝置。通信傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

4 云平臺(tái)部署

基于云平臺(tái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：水下觀測(cè)層，云服務(wù)平臺(tái)和應(yīng)用層。其中水下觀測(cè)層由觀測(cè)站，水下網(wǎng)絡(luò)及在線水質(zhì)檢測(cè)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(shí)間無(wú)線通信的方式上傳到云服務(wù)器平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。云平臺(tái)可以為用戶(hù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)與計(jì)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(hù)只需要安裝瀏覽器，便可以使用云平臺(tái)為用戶(hù)提供的一切服務(wù)，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，歷史數(shù)據(jù)可視化，用戶(hù)權(quán)限注冊(cè)以保證數(shù)據(jù)安全性，提供用戶(hù)訪問(wèn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口。以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在手機(jī)或電腦上就能遠(yuǎn)程管理所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取各個(gè)基站發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括基本信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、報(bào)表、圖表等。同時(shí)將以圖的方式展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布位置，可快速掌握轄區(qū)內(nèi)被監(jiān)管點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警情況。

圖4 運(yùn)行實(shí)測(cè)圖

用戶(hù)需要自行編寫(xiě)數(shù)據(jù)模板，填寫(xiě)名稱(chēng)，數(shù)據(jù)類(lèi)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(tái)，本文中采用XCOM與USR-VCOM軟件進(jìn)行模擬推送以測(cè)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(guò)設(shè)置后，云平臺(tái)能夠以地圖和列表的兩種方式來(lái)管理水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(yùn)作情況。而列表則可以以終端為單位，瀏覽每一個(gè)終端在不同時(shí)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(xiàng)數(shù)據(jù)在不同終端上的全部監(jiān)測(cè)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(tái)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(lái)展示水體數(shù)據(jù)，包括設(shè)備數(shù)，報(bào)警數(shù)等等。同時(shí)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(cè)終端的水體溫度，酸堿PH值，微量元素在一日或更長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)的變化。

5 云監(jiān)測(cè)運(yùn)行及測(cè)試

云監(jiān)測(cè)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(hào)分布，及固件分布，設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)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(tái)及設(shè)備實(shí)測(cè)如圖4所示。

總結(jié)：本項(xiàng)目的研究實(shí)施得到了國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)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(cè)裝置樣機(jī)，該樣機(jī)體積小巧，成本低，功耗小，能實(shí)現(xiàn)24h高頻次的連續(xù)實(shí)時(shí)采集及傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，上線的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)功能，主要包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)警和報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示與查詢(xún)、 數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)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(xún)與管理和地圖定位和防盜等，初步滿足了預(yù)期設(shè)計(jì)要去。具備了在一定區(qū)域內(nèi)全面設(shè)點(diǎn)、聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)上傳、自動(dòng)預(yù)警的在線監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的基礎(chǔ)，能完成特定監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)警功能。本設(shè)計(jì)水質(zhì)檢測(cè)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(kù)等水體的水質(zhì)在線檢測(cè)和預(yù)警以外，在其他水體的水質(zhì)和水文變化趨勢(shì)，黑臭水體治理、藍(lán)藻爆發(fā)預(yù)測(cè)，河流生態(tài)的水文機(jī)制，湖泊、濕地生態(tài)狀況和功能生態(tài)修復(fù)及評(píng)價(jià)，水利工程對(duì)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(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響以及突發(fā)性污染事件檢測(cè)和預(yù)警等諸多方面，都將具有廣闊的應(yīng)用前景。