基于物聯網的水環境智慧服務監測系統

齊雯靜 周小帆 曹沃野 楊名遠 張小萌

（南開大學濱海學院 天津市 300270）

水的品質與我國居民、企業、社會的用水安全密切相關，而對水質影響較大的參數有PH值、水的渾濁度以及是否存在污染垃圾等。傳統水質監測只能根據經驗來對這些參數進行分析和調整，也常常會因為養殖戶缺乏經驗或無無人看管沒有及時調節水質，出現水質不佳的情況，造成經濟損失。本文提出一種基于物聯網的水環境智慧服務監測系統，監測水質，并通過物聯網搭建的云平臺進行實時檢測與數據分析。

1 整體設計

系統整體設計如圖1所示。該系統的上位機選用STM32單片機作為核心處理器連接濁度傳感器、PH值傳感器以及其他傳感器，下位機選用樹莓派和新大陸作為核心處理器對人臉及垃圾進行識別，上位機與下位機通過串口協議傳輸數據，上位機將下位機采集到的數據通過華為5G和移動端傳到云端服務器，使整個監測站更為智能化與靈活。

圖1：整體設計框圖

2 硬件部分

2.1 整體硬件構成

基于物聯網的水環境智慧服務監測系統硬件分為上位機和下位機兩部分。其中上位機由樹莓派開源主板以及新大陸NLE-800AI人工智能開發板組成，下位機則由STM32以及PH值傳感器，濁度傳感器等傳感器通過杜邦線連接組成。

2.2 硬件傳感器

PH值和濁度傳感器通過STM32的ADC對傳感器模擬數據進行采集，將模擬量轉化為數字量，并打包成數據包通過串口發送給上位機樹莓派。

PH值傳感器電路圖如圖2所示，濁度傳感器電路圖如圖3所示。

圖2：PH值傳感器電路圖

圖3：濁度傳感器電路圖

2.3 上位機組成及功能

上位機NLE-800AI開發板主要用于人臉識別，人臉采集，人臉比對等人臉方面的數據處理，并通過TCP協議將視頻流上傳到云端服務器。樹莓派則運行一套垃圾識別分類系統，通過攝像頭采集到的視頻流，利用經過神經網絡機器學習的模型進行分類，并將識別到的垃圾框選標注在視頻流內，將處理過的視頻流以及垃圾種類標簽重新打包通過TCP協議上傳到云端服務器。

2.4 硬件通訊協議

上位機與下位機通過串口協議傳輸數據，通過USB轉TTL模塊將STM32發送的串口數據轉換為USB數據發送到上位機，上位機將下位機采集到的數據通過華為5G DONGLE模塊上傳到云端服務器，同時可以在云端完成對監測站的命令下發，可以更改采集頻率，類型。上位機收到云端指令后通過串口發送給下位機從而完成云端和傳感器的互動。使整個監測站更為智能化與靈活。

3 軟件部分

本系統結合多種傳感器、固體垃圾識別，可以檢測水面上的固體垃圾的，還可以實時監測到水質的PH值、濁度和氧含量等數據，如果水質發生污染系統會啟動“報警”，搭建的線上實時監控云平通過新大陸設備系統訓練計算模型，進行高性能數值計算，處理分析數據，反饋給用戶。系統通過自主搭建云平臺，調用新大陸物聯網平臺API獲取相關設備的數據，獨立搭建大數據監測平臺，平臺功能有以下方面：實時監控水面的情況，可以在平臺上看到監控畫面，實時動態折線圖顯示傳感器數據，超過預設定的值將會啟動“報警”功能。綜合AI攝像頭和傳感器返回的書記進行大數據分析，得出當前水質的情況，實時更新。

AI人臉及垃圾識別如圖4所示。

圖4：AI人臉及垃圾識別

4 系統總結

為保障我國居民、企業用水安全，水質監測行業也迅速發展，本文以監測識別，調節水質為目的，設計了此系統，主要實現結果如下。

（1）自主搭建物聯網云平臺。調用了新大陸物聯網平臺API獲取相關設備的數據，獨立搭建大數據監測平臺，實時將水中的信息準確反饋到后臺管理界面，用戶僅需通過Web訪問云服務器，就可實時查看數據和管理系統。

（2）AI攝像頭識別水體垃圾和是否排放污染物。通過平臺實時監控水面情況，通過攝像頭，自由選擇監測視角，進行不同視角，范圍的水污染監測。通過圖像識別、深度學習等技術進行異常顏色識別、垃圾物體識別觀察水體是否發生異常，是否出現雜物。

（3）傳感器數據的實時動態更新。結合新大陸設備，通過PH值傳感器和濁度傳感器等傳感器進行實時的監控，監控傳感器投放處被測區域的水質情況，傳感器監測數據實時更新在Web端，而且能夠通過Web端進行歷史數據查詢。

（4）配有智能電源轉換器。可接入220V市電與12V太陽能，提供穩定的12V/2A輸出、5V/2A輸出、提供0-30V可調電壓輸出，實現產品的持續供電。并且接入網絡，可以遠端實現電源的通斷，增加設備的續航能力。

（5）根據實際河道情況進行了模擬實地沙盤規劃。根據實際河道情況分析河道中水質易被污染的區域投放重要傳感器，對河道中必經之路進行攝像頭監控，監測相應水質和水體。

5 結束語

隨著信息大數據化時代發展進程的加快，人工智能技術的日益成熟，圖像識別的多元處理優化功能逐漸完善，研究分析方法的不斷優化與創新，水質檢測發展的更加智能化。結合整個系統的感知功能，對水流域進行監測從而有效防止污染的產生。運用大數據，實現數據的多方流調與整合，為監測工作提供了便捷性與可實用性。合理運用人工智能，更好的完成我國水資源的監測與改善。在監測管理數據的過程中，應該更加重視數據的調取與分析，以期可以達到最優的監測功效。