基于物联网技术的水环境监测系统设计

刘海滨 纪文强

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

基于物联网技术的水环境监测系统设计

刘海滨 纪文强

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

提出了基于物联网技术的水环境监控系统设计与实现方案。该系统将无线传感器网络节点合理部署在被控水域，自动监测水体环境，利用无线通讯技术将数据远程传输到管控中心；网络节点能够对一定程度内的水体异常情况进行快速处理，实现水环境监测的高度自动化管控。

物联网技术，自动监测，无线传感器，嵌入式技术

引 言

水是生命的源泉，也是工业生产中不可或缺的重要资源。随着我国经济的快速发展，大量工业废水的不当处理严重影响了当地的水资源环境。水质监测与处理手段的开发对于保护水资源环境，实现水资源的高效利用具有重要的意义。目前，我国水体监测主要存在的问题包括以下几个方面：第一，自动监测站数量不足，难以对整条河流的水质进行全方位监测；第二，对于采集到的数据缺乏快速上报能力，水体监测的实时性亟待提高；第三，自动监测点缺乏对水体异常情况及时处理的能力。

基于物联网技术的无线传感器网络是由大量分布式传感器组成的自组织形式的无线网络。其集嵌入式技术、传感器技术和无线通讯等技术于一体，在环境监测、军事、智慧城市等领域具有广泛的用途。中国航天系统科学与工程研究院项目组基于无线物联网技术，设计了水环境监控系统，具有水质数据监测、水质数据分析，以及对突发状况进行快速处理等3个主要功能，能够实现对控制区内对象的科学化管控。

1 基于物联网技术的水环境监控系统架构设计

该设计方案是基于物联网技术的水环境监控系统，其立足于水利行业对水资源管理和水资源有效利用的实际需求，依托物联网技术、水处理技术、无线通信等技术，合理部署、建设水利工程信息传输和存储平台，切实提高水利行业的综合管理能力和管理水平，实现向动态管理、精细管理、定量管理和科学管理的转变，进而实现水资源优化配置，使水资源利用更加有效、高效。该系统架构设计如图1所示，其主要功能包括：第一，实现水位、流量等信息实时采集、报警，以及在嵌入式软、硬件的支持下对闸门阀泵等水终端设备按照预先设定的阀值实施反馈控制，用以对一定程度的突发状况进行快速处理。当水位或水流量异常，超过自动反馈控制阈值时，由水体管控中心对异常状况进行处理。第二，对水体污染进行监控。在监测节点布置传感器可以实现在无人值守的情况下，水体管控中心远程控制监测节点的采集动作，对多种水质参数进行采集、存储，然后分期、分批上传到水体管控中心，检测参数包括pH值，浊度，余氯，以及铜、镉、铅等重金属含量等参数，从而实现对水环境的实时在线监控。

图1 基于物联网技术的水环境监控系统架构

其中，在感知与控制层，一方面，通过分布式部署的水位计、水质监测仪、流量计等自动化或半自动化的信息采集监测设备对水位、水流量、水质、闸门阀泵等相关信息进行实时采集；另一方面，根据具体控制要求，在嵌入式软、硬件的支持下对闸门阀泵等水终端设备按照预先设定的阀值实施反馈控制，以达到控制供水量、及时泄洪等目的。在传输层，对水位、水流量和水质进行信息的实时采集，以标准工业电信号上报综合信息化采集器，接入到无线网络传输层，最后传输到物联网服务层。在物联网监控层，依托水体监控中心对传输层获取的数据进行数据整合，构建业务数据库、监测数据库等专业数据库，为应用层各项业务提供支撑和数据保障，并基于应用中间件对传输层、感知与控制层的硬件系统进行控制。在物联网服务层，以物联网服务层和应用层的业务为支撑，提供信息服务，通过融合信息应用，方便各级单位和个人之间的信息沟通和公文报送，外部公众单位和个人以单点登录的方式登录应用系统，在权限控制下查询相关信息。

2 监控系统硬件设计

监控系统的硬件结构设计如图2所示，主要由水体监控中心、ARM主控制器、无线通讯模块、数据采集模块、监测节点控制模块、监测节点数据处理模块、LCD显示模块、I/O设备等模块组成。

其中，水体监控中心是物联网监控层的重要组成部分，上位机配置英特尔双核2.0GHz或更高性能的CPU、Windows XP SP3操作系统、2GB内存、500GB硬盘，负责完成对整个系统的监测与控制。此外，其还安装了大量的磁盘阵列，以保证水体监测数据的有效存储；安装了数据分析软件，以完成实时水体数据的分析，通过搭配高性能的服务器，可为水利政务提供远程决策支持，也可支撑物联网服务层用户的信息查询。ARM主控制器、LCD显示模块、I/O设备等模块作为应用中间件设置在物联网监控层。ARM主控制器完成整个监控系统的数据采集控制、无线传输模块控制，以及阀门控制指令发送。LCD显示模块主要用于主控制器的调试结果显示，同时保证ARM控制器调试与维护的便捷性。无线通信模块设置在传输层，用以实现水体数据和控制指令的无线传输。数据采集模块、监测节点反馈控制模块、监测节点数据处理模块设置在感知与控制层。数据采集模块负责水体数据的实时采集与数据预处理，可将模拟信号转化成数字信号（A/D转换）；监测节点反馈控制模块按照预先设置的阈值实施反馈控制；监测节点数据处理模块控制整个节点的工作，如转换数据格式、控制数据收发等。系统硬件设计的核心是物联网服务层和感知与控制层的结构设计，下面主要针对这2个服务层的设计进行详细阐述。

图2 水环境监控系统硬件结构设计图

2.1 物联网服务层设计

物联网服务层的内核采用基于ARM920T内核推出的S3C2440A作为核心处理芯片（主控制器）。S3C2440A是一种16/32位RISC微处理器，具有成本低、能耗低、性能高等特点。其采用先进微控制器总线架构（AMBA，Advanced Micro controller Bus Architecture），实现了MMU、AMBA总线和Harvard高速缓冲体系结构，具有独立的16kB指令Cache（I-Cache）和16kB数据Cache（D-Cache）。主控制器用于实现监测数据接收与控制指令发送，并将监控数据通过I/O设备上传至水体监控中心。

从管控系统的数据传输，以及控制信号流程出发，感知层通过智能传感器完成数据的采集，并对采集到的信号进行A/D转换、滤波、放大，转换为合适的数字信号；控制层对水体的异常情况进行反馈控制。无线通讯模块实现远程通信，将处理后的数字信号通过无线通讯方式传送给系统主控制器，无线通讯模块通过RS232与主控制器相互通讯。主控制器对监测终端节点数据进行存储、控制，收发指令，对监测终端节点数据的采集、LCD显示进行控制。水体数据通过总线传输给水体监控中心，水体监控中心使用相应的数据库软件对水体数据进行综合分析与监测，并对外提供数据分析结果的查询服务。

2.2 感知与控制层设计

2.2.1 感知与控制层功能设计

感知与控制层主要包括水位/水流量远程监控终端和水质远程监控终端。水位/水流量远程监控终端由水位计和流量计组成。水位计和流量计监测水位和水流量的当前状态，当水位或水流量超出指定值时产生报警信息，并发送报警短信，经由传输层传输至位于服务层的控制中心。水位/水流量远程监控终端具备以下功能：一是报警，即当水位或水流量高于预先设定上限或低于下限时，发出报警信息。二是水位恢复报警，即当水位恢复至正常值时，水位计能发送报警消除短信，通知报警消除。三是自动反馈控制，即当水位高于当地最高水位2m内或低于最低水位2m内时，监测终端自动打开阀门调节水位；当水流量高于当地允许最高水流量0.5m/s内，监测终端自动打开阀门调节水流量。四是远程控制，即短信报警器具有输出控制功能，可实现短信远程遥控，即可发出指令来关闭或打开指定电路，如阀门和水泵等。水质远程监测终端由智能pH传感器、智能浊度传感器、智能余氯传感器和智能重金属传感器（主要检测水体中的汞、铜、镉等重金属）等组成，实时监测水体中污染物的含量，并将数据传送至控制层。控制层接收传感器的检测信息，进行存储、分析、运算，并传输给无线通信模块，将监测信息发送至物联网服务层主控制器。

2.2.2 感知与控制层硬件设计

水体远程监测终端一般部署在野外，因此，该系统选用太阳能电池板供电。太阳能供电测点设备配置如表1所示。充电保护器、蓄电池等集成在金属防护箱内。金属防护箱安装在金属杆上。太阳能板安装在金属杆的支架上。水质远程检测终端安装在防水防护箱内。防水防护箱安装在监测地水体中。水质监测仪信号线、隔离变压器信号线、无线数据传输线连接在防水接线盒上。监测终端由传感器数据采集模块、反馈控制模块、微处理芯片、无线通讯模块和电源等模块组成。监测终端硬件设计如图3所示。

数据采集模块主要由智能传感器、信号调理电路（ADC0809）等组成。水质传感器采用E+H公司生产的pH值传感器CPS 11、池度传感器CUS 31、极谱型余氯电极YLG-2058-01和基于伏安法技术的水质重金属监测仪AVVOR9000。配合相应的水位、水流量传感器，将检测到的压力，流量，流速，流向，以及铜、镉、铅、锌、镍元素的含量等数据经变送器处理后，转换成0～5V标准信号，传送至ADC0809芯片进行A/D转换，单片机每隔500ms循环采样一次。数据采集模块采集数据并进行A/D转换，将数据传送给监测节点控制模块。

表1 监测终端设备配置表

图3 监测节点硬件设计图

监测终端控制以TI公司的MSP430F149低功耗微处理器为核心。16位RISC结构使得MSP430F149具有强大的信息处理能力，同时自带12位A/D转换器，降低了外围电路设计的复杂程度。将该芯片作为数据处理模块，对水体数据采样5次后进行中值滤波，经数据变换后，将信息通过无线传输模块发送至物联网监控层。

无线通讯模块采用Zigbee通讯协议，其PHY层和MAC层采用IEEE 802.15.4标准协议。IEEE802.15.4协议工作在2.4GHz频率，是Zigbee应用层和网络层协议的基础，为全球通用的工业、医学、科学频段，免付费，免申请，数据传输速率达到250kbps。无线通讯模块由TI Chipco公司的CC2430和CC2591功放芯片联合组成。CC2430内部集成Zigbee射频前端、内存和控制器等3个部分。具有高性能的2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级8051控制器负责无线信号的发射和接收，实现数据采集模块与主控制器之间的通讯，并完全支持无线网络技术的IEEE802.15.4-2006标准和Zigbee2006技术标准。CC2591是低成本、高性能的功放设备，能够显著扩展无线系统的覆盖范围，并可将接收机的灵敏度提高6dB，输出功率提高22dB。CC2591内部集成了RF匹配网络，所以，在RF输入/输出部分无需增加额外的匹配网络，发射及接收时仅消耗电流34mA。数据传输节点与RF之间采用RS232串口通讯。

3 监控系统软件设计

3.1 感知与控制层软件设计

感知与控制层主要完成水位、水流量数据和水质污染物数据等现场水体数据的监测，并对数据进行处理，将其发送至监测终端节点组的网关上。同时，在嵌入式软、硬件的支持下，其对水终端设备按照预先设定的阀值实施反馈控制。该系统的软件部分主要包括监测模块数据采集程序、反馈控制程序和无线网络通信程序等。Zigbee节点采用开源C语言协议栈Z-stack。由于Z-stack采用事件轮询机制，上电初始化以后，无线通信模块进入低功耗休眠模式。当采集到的数据进入无线通讯模块时，系统被唤醒并进入中断发送数据，如果需发送多个数据，则优先处理中端级别高的事件，在完成任务后，系统进入低功耗休眠模式。该基于操作系统思想的软件构架可以大幅降低系统的功耗，延长监测终端节点的运行寿命。监测终端节点的程序流程如图4所示。

图4 监测终端节点程序流程图

3.2 物联网监控层软件设计方案

水体监控中心的软件采用C语言编写。水体监控中心软件分为数据管理软件与控制软件2种。数据管理软件实现PC与硬件系统的串口通信，完成数据监测，数据的采集可选择在线连续采集和定时采集2种方式进行。友好的人机交互界面设计有利于系统的调试与设置。水体监控中心安装Microsoft SQL Server 2000 SP4数据库管理软件，用于分析监测数据，提供数据的存储与查询服务。系统软件支持SQL数据库，可存储不少于3年的各种历史数据。控制软件用于处理水体的异常情况，当监控中心接收到监测终端节点无法通过自动反馈控制处理的水体异常情况时，监测人员可通过控制软件控制闸口、水泵的开与关，或者投放相应的净水试剂，及时处理水体污染情况。采用J2EE技术构架将软件功能模块化，包括系统信息管理，基础信息管理，检查保修管理，实时数据管理，远程监控管理，历史记录数据存储、查询、输出管理，图形分析、汇总统计与报表管理等功能模块。采用网络编程技术和嵌入式技术，将C语言程序写入监控传感器上，使其实现超过上限参数报警、前端平台及时接收报警信号等功能。结合J2EE及相关Web技术的优点，系统扩展更为方便，当需要增加监控点时，仅需在现场加装1套测控终端，在系统软件上添加1个监测点即可。

4 结束语

该项目在实施中有效满足了污水管理、水资源实时监控、水位远程监控等多项应用需求，同时大幅节省了由监测站点建设及人工巡视与监控所带来的高额费用。随着物联网技术的不断发展和社会对水资源重视程度的不断提高，水资源管控系统的监控范围将进一步扩大，无线数据传输也需要多种方式并用，基于嵌入式芯片的主控制器将向着数据处理能力更强的服务器进行转换。

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11 吴亚林, 王劲松. 物联网用传感器[M]. 北京∶ 电子工业出版社, 2012∶ 167～194

图5 云服务界面

2.6 产品设计特点

该系统以工业化、通用化、适应性与易用性为基本设计原则，同时强调实时、便利、稳定和安全的工业特征。

本系统设计的特点主要包括：安装简单，仅需电源及与监控对象对接的网络即可；操作简单，无需二次开发和对接，仅需通过WEB方式简单配置即可；

报警及时，对监控对象状态反应敏锐，一旦发生异常情况，能够及时通过电话及短信等方式通知用户；

运行稳定，全天侯（7×24h）运行无故障；

安全可靠，设备系统闭环运行，交互数据无存储，无输出；

减负增值，其运行能够大大减少运营维护人员的数量，降低工作强度，节约用户的支出和各种资源。

3 结束语

智能监控预警服务能够解决系统/设备维护人员的日常维护难题，高效地执行监控任务，为运营维护人员开展精准维护提供重要的参考依据。

1009-8119（2015）09（1）-0057-04