村镇河道水质在线监测系统的设计与实现

彭 程，吴华瑞＋，缪祎晟

（1.北京农业信息技术研究中心，北京100097；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；

3.农业部农业信息技术重点实验室，北京100097）

0 引 言

目前水质监测［1］包括实验室监测和自动监测站监测。实验室监测分析精度高，但监测周期长，人工劳动强度大，数据获取效率低，难以保证所测数据的时效性；自动监测站主要由设立在河流、湖泊等流域的水质监测设备采集现场数据，由于监测站位置固定，监测范围较小，无法实现对流域整体的连续动态规模化的监测，难以全面掌握水资源状况［2，3］。村镇地区河道流域的排污特点是小规模、随意性、突发性，人工或站点监测难以准确确定排污的时间、总量和对水体的影响等，监测与管理难度大，不能适应新形势下水环境管理的工作需要。

本文针对村镇河道水环境自动化系统化规模化的监测需求，结合物联网和WebGIS技术，研究设计了全流域自动化的村镇河道水环境质量监测系统，详细介绍了系统的总体架构、水质监测设备的结构框架、水质在线监测平台的功能设计、水质监测信息的空间可视化方法和异常状态的时空关联监测方法。

1 关键技术

1.1 物联网

物联网是新一代的信息技术，融合了无线网络、电子射频、人工智能、云计算、嵌入式等技术，目前已广泛应用在医学、工业、交通、环保等各种行业。物联网以感知为基础，把各种信息传感设备组成传感网络，将所获取的各种信息经由通信网络的传输，送达集中化的信息处理与应用平台。通过应用物联网技术，可以满足水质监测信息实时可靠的远程数据传输、灵活多样的网络接入和随时随地地移动应用的需求，从而为水环境质量监测提供智能化的解决方案［4，5］。

1.2 WebGIS

WebGIS是基于Internet技术标准和通信协议的网络化地理信息系统，它以Web页面作为界面，向Internet用户提供各种GIS服务。其特点包括：①广泛访问：采用TCP／IP协议，利用通用的浏览器提供地理信息服务，实现不同国家和地区的空间信息共享；②降低成本：客户端无需安装软件，大大降低了用户的使用成本；③操作简单，用户可以不具备专业知识即可获得地理信息服务，而不用关心空间数据库的管理和维护［6］。WebGIS 在空间框架下实现了图形、图像数据与属性数据的动态连接，特别是基于富客户端的WebGIS，既有桌面应用程序的交互性，又具备传统Web应用程序部署的灵活性，具有人机交互能力强，用户体验丰富的特点［7，8］，为水质监测信息的网络传输、地图可视化、空间分析等提供了技术支撑。

2 系统结构设计

村镇河道水环境质量在线监测系统运用物联网的物物相连，通过部署在河道上的数据采集传感设备采集水环境质量信息，然后收集数据至在线监测平台进行存储和分析，WebGIS提供结合空间位置的图属查询、实时数据地图可视化和专题制图。系统主要由感知层、网络层和应用层三大部分组成，系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

感知层：在村镇的河道进出口、固定排污点、重点监控断面以及部分河道弯度大，水流不畅等区域部署水质自动监测设备，完成水温、pH、浊度、溶解氧、电导率等参数指标的自动采集，为河道流域的水质状况提供基础数据；网络层：负责将采集到的信息迅速可靠地传输到应用层。考虑到数据实时性、传输安全性的要求，水质在线监测数据传输方式优先选用GPRS传输方式，具备投资小、安装灵活、维护方便的优点；应用层：在线监测平台负责系统的用户应用，将监测到的数据进行存储、处理、统计、分析、汇总及图形显示，为用户提供统一的平台应用入口［5］。LED 监控屏主要以表格的形式显示水环境的实时信息，用于户外的信息发布和展示。Web页面用于向管理人员和公众发布监测信息，实现水质信息的查询和共享。

3 水质自动监测设备

针对村镇河道排污规模小、突发性高的特点，结合水污染的流动性、扩散性，为满足流域较大范围的实时监测要求，水质自动监测设备应具备低功耗、可靠稳定、存储容量大、运算速度快的特点。

水质自动监测设备以嵌入式MSP430 处理器为核心，利用其高效的内核性能和丰富的外部接口构造一个嵌入式平台［9］，集成水质参数感知、网络通讯、电源适配等多个单元模块，设备硬件结构如图2所示。处理与控制单元包含CPU、存储模块、时钟模块、模数转换模块等，主要采集各传感器经变送单元输出的电压、电流信号，经模数转换得出对应数字信号，按照各传感器的感知特性进行转换，得出各感知参数的测量值，完成数据的处理压缩、指令解析以及各单元模块的工作调度控制等。水质参数感知与变送单元由各类水质传感器和超声波清洗元件组成。水质传感器包括水温探头、pH 值探头、溶解氧探头、电导率探头等，负责各种水环境参数信息的采集；超声波清洗元件用于清洁传感器探头，避免因水体杂质、水生藻类或微生物对探头的覆盖或污染造成参数测量不准；信号变送模块将各类型传感器的测量值转化为电信号。网络通讯单元兼容3G／GPRS／Wifi等多种传输方式。GPS 模块用于监测设备的定位。电源适配单元完成不同输入电压的转换适配，为监测设备各单元提供能量供给。

图2 水质自动监测设备硬件结构

4 水质在线监测平台

水质在线监测平台负责将设备实时采集到的水环境数据存储到数据库，通过最终的应用系统向管理部门提供水质数据的实时监测、异常报警、统计分析等功能，向公众、企业等提供实时的水质信息服务。平台利用MyEclipse开发，采用J2EE 中的SSH 框架搭建，数据库采用MySQL，前端采用Flex、Ajax等富客户端技术，WebGIS功能基于百度地图API开发实现。

4.1 功能设计

水质在线监测平台包括4个子系统：水质数据管理子系统、水质监测分析子系统、监测设备管理子系统和Web－GIS子系统。每个子系统的功能如下：

（1）水质数据管理子系统：负责接收所有水质监测设备上报的监测数据，进行存储、检查和处理，完成整个平台水质监测数据、水环境基础数据、监测指标数据、用户信息等的维护和管理。

（2）水质监测分析子系统：提供实时监测、历史数据、统计分析、异常报警等功能。实时监测将水质监测设备采集的各类水质数据 （pH、温度、溶氧、电导率、浊度等）实时在网页端和LED 屏实时展示，为用户提供24 小时不间断的水质信息。统计分析提供所有监测历史数据的浏览查询，以统计图表的方式提供各监测点的数据汇总分析、数据指标差异对比等。通过横向和纵向的比较，横向指不同监测点同一时间段的汇总信息，纵向指同一监测点在不同时期的比较，直观地反映监测点的水质变化趋势［10－12］。异常报警在当任意监测设备出现参数超阈值情况时，通过网页报警和短信报警的方式向管理人员发布报警提示，管理人员可以立刻判断出是哪个或哪些监测点出现了何种水质异常，并据此迅速采取相应的应急方案。

（3）监测设备管理子系统：设置监测设备的基本信息、监测周期、报警阈值等参数，在发生水质异常时，对设备的空间位置和采集监测时间进行总体计算与调度，控制完成各监测设备的时空关联采集感知。

（4）WebGIS子系统：基于百度地图API，采用电子地图方式显示各水质自动监测设备的地理位置和实时数据，实现GIS的基本功能如放大、缩小、漫游等，实现空间位置与属性数据的双向查询，提供水质指标数据的专题制图，并支持水质异常状态的报警提示。

4.2 水质监测信息地图可视化

百度地图JavaScript API是一套基于JavaScript／Ajax等技术的公共地图服务应用程序接口，开发者利用HTML和Javascript，可以构建功能丰富、交互性强的地图应用［13］，使用者无需安装任何软件，地图功能请求均由百度服务器运算后返回客户端。基于百度地图API的水质监测信息地图可视化步骤如下：

（1）首先注册获取百度地图API的密钥，在＜script＞标签中加入密钥的使用代码；

（2）初始化地图要素，在百度地图容器中创建一个地图实例，并设置地图中心点的坐标和地图级别，代码如下：

其中，longCenter，latCenter分别为中心点经纬度坐标，17为地图级别；

（3）加载地图操作基本控件：包括平移缩放、比例尺、缩略地图、滚轮、地图类型等控件，完成地理信息系统的基本功能操作；

（4）加载水质监测信息：百度地图将标注、矢量图形元素、信息窗口等所有叠加或覆盖到地图的内容，称为地图覆盖物［14］。首先添加水质监测设备的标注图层，应用覆盖物类Icon定义标注的图片大小、位置等相关属性，然后用Marker类创建一个设备标注实例，语句如下：

设备的经纬度坐标通过GPS定位模块获得。由于根据相关规定，百度地图对地理位置进行了加密措施，所以其坐标值与实际的GPS坐标点存在偏移［13，14］，需要通过坐标转换接口进行转换，将设备获取的真实经纬度转成百度坐标。在此基础上，从后台数据库查询该设备采集到的水质指标数据，通过代码动态输出在InfoWindow 信息窗口。

（5）水质指标专题制图：专题地图通过饼图、柱状图等表达形式，形象直观地反映地图的主题要素，是一种有效的地图可视化方式。根据所选的水质指标，如浊度，查询数据库获得各个监测设备在某时间点的浊度数据，进行等级划分，根据指标数值设置成不同大小的饼图或柱状图进行标注，最后叠加显示在底图上。

4.3 异常状态的时空关联监测

现有的水质监测设备大多为独立管理，设备按各自时间间隔定时进行感知监测，对于流动性、扩散性强的水污染不能有效的监测污染峰值、扩散情况，本文提出一种异常状态下监测点时空关联采集感知方法。

水质自动监测设备的工作状态分为正常监测模式和特殊监测模式。在正常监测模式下，设备按预设的周期间隔进行水质参数的采集监测与数据回传上报。当某监测设备监测指标超出阈值时，设备转入特殊监测模式，监测平台通过密集采样的数据判断当前监测点污染物的状态，用以决定其它邻近监测点的监测策略以及报警级别。

首先设备管理子系统根据当前各设备的空间位置分布和河道流速情况，对污染物流向和扩散的时间、位置进行估算，控制各监测设备在污染物预计到达各监测点的时间前后进行密集采集监测。按河道水流方向，污染物每到达一个监测点，便由监管设备管理子系统根据最新的数据重新估算下游设备的关联采集时间。污染物已到达区域的自动监测设备在监测设备管理子系统的调度下维持在特殊监测模式，根据最近三次监测指标判定污染物浓度是否上升。如上升，则维持密集采集，如未上升，则逐步延长采集监测时间间隔，直至设备恢复正常监测模式。

正常情况下的水质监测时间频度较低，对于村镇河道小规模、零散性生活污水容易造成漏检，该方法在出现污染源后，对污染物扩散情况进行计算估计，并进行针对性的密集采集监测，使监测数据能够完整体现水质的变化情况。

异常状态下监测点时空关联采集感知方法如图3所示。

图3 异常状态下监测点时空关联采集感知方法

5 系统实现

根据上述的设计思路，研发了村镇河道水环境质量在线监测系统，系统在浙江奉化运行，使用效果良好。感知层水质自动监测设备实时自动采集河道的水质量监测数据，克服了以往人工和监测站采集的数据效率低、无法连续动态地采集的缺陷。水质在线监测平台通过查询统计、地图可视化等手段，方便实时地反映村镇河道整体的水环境状况。WebGIS 功能基于百度地图API开发，克服了传统地理信息系统搭建复杂、建设维护成本高、数据获取困难的缺点，具备客户端表现丰富、交互性好的优点。在出现水质异常时，平台根据设备的分布位置和当前流速，对污染物到达各监测点进行预估，通过指令远程控制各监测点，在预估时间前、中、后进行密集采集，最大程度上体现污染物的流动、扩散状态，还原水质真实情况。图4 （a）为LED 屏截图，图4 （b）为监测指标数据的统计分析截图，图4 （c）为水质监测信息的WebGIS截图。

图4 村镇河道水环境质量在线监测系统界面

6 结束语

村镇河道水质在线监测系统是以物联网为基础，综合运用现代传感器技术、自动控制技术、无线网络、计算机应用等多种手段，形成的全流域自动化网络化智能化的水质监测系统，具备多点实时在线监测、异常状况自动报警、时空关联监测感知、空间可视化等特点，实现了对流域整体的连续动态规模化的监测。系统的建立扩大了水质监测区域，提高了水质监测的准确度、实效性和异常报警的及时性，有效实现了水环境信息的实时监测和远程共享，为管理部门的科学管理和宏观决策提供技术支撑。

本文提出的异常状态下监测点时空关联采集感知方法，针对村镇地区河道流域的小规模、突发的排污特点，在水质异常时，根据流速和监测点位置进行污染物扩散估算，通过指令远程控制各监测点，进行针对性的密集采集，克服了传统监测方法水质信息采集在连续性动态性方面的局限性，能够最大程度地反应水质真实情况。

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