基于物联网的水质污染监控系统的设计与实现

吴文霞，朱金秀，2，陈奋远，黄洁洁，詹万林

（1. 河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022；2. 江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100；3. 盱眙县水利设计室，江苏 盱眙 211700；4. 盱眙县水土保持办公室，江苏 盱眙 211700）

基于物联网的水质污染监控系统的设计与实现

吴文霞1，朱金秀1，2，陈奋远3，黄洁洁3，詹万林4

（1. 河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022；2. 江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100；3. 盱眙县水利设计室，江苏 盱眙 211700；4. 盱眙县水土保持办公室，江苏 盱眙 211700）

水质污染监控系统采用物联网架构，利用 GIS、网络通信、多媒体、传感器及计算机仿真等技术，构建一套完善的水质污染监测与管理体系。介绍系统总体架构，阐述系统网络通信和关键模块的设计实现，系统通过水质远程查询分析、应急预案数字化和报警综合管理，实现水质污染的实时监控和水源地监测数据的综合应用，有效地为水源地水质安全保障提供支持。

物联网架构；水质污染监控；自定义数据传输；应急预案数字化

0　引言

盱眙县位于江苏省西部，总面积 2 483 km2，辖14 镇 5 乡，260 个村（居）委员会和 14 个场圃，总人口 75.76 万，境内中部山区丘陵，东部平原良田，西部湖滩水面，人均面积居江苏各县之首。农村饮水安全工程实施后，全县自来水基本实现全覆盖（部分偏远山区零星居民没有通上自来水），自来水普及率达 98% 以上。但原安全区由于管道老化、人均用水量增加等因素，饮水现状不安全的人口达25.023 7 万人。根据现场调研分析，盱眙县绝大部分水源地未实现常规水质的在线监控，且全县的水源地水质信息没有联网。王化建等人通过 3S 技术的集成应用研发出了基于物联网的水环境在线监测系统，为国家江河流域水环境安全管理提供支持［1］。在此基础上，搭建物联网架构，利用 GIS、网络通信、多媒体、传感器及计算机仿真等技术［2］，实现水源地水质污染监控的信息联网和数据实时传送，并利用互联网技术实现监控数据的远距离汇集与分析处理，通过互联网构建整个市区的水源地水质监控平台，打造市民放心的水源地水质监控体系，并向市民提供水源地水质在线查询等服务功能，为建设智慧城市打下坚实的基础。

1　水质污染监控系统总体架构设计

系统总体在物联网 3 层架构［3］的基础上增添了支撑层，分别为感知层、网络层、支撑层和应用层，如图 1 所示。

1.1感知层

主要由分布在各个监测断面遥测点的水情、工情信息采集传感单元构成，实现对水量、雨量、水位和水质信息的全过程、全天候采集。水情、工情信息采集传感单元主要包括安装在监测断面的流量、水质和水位传感器，分别进行水量雨量、水质和水位的监测。视频监测信号在光纤接入情况下采用有线网络视频摄像头，在 3G/4G 或 Wi-Fi 环境下采用移动终端和无人飞行器运动摄像头进行采集。

1.2网络层

采用有线网络为主，无线网络作为辅助和补充，监测中心服务器接入水利专网，并采用固定公网 IP 地址。遥测传感单元的数据传输模块通过通信接口与可编程控制模块连接，通过有线网络直接与监测中心平台通信，将监测点采集的数据传送到监测中心服务器，并将原始数据存入本地数据中心，同时可以通过无线网络方式把监测信息传送到移动终端。

图1　系统总体架构示意图

1.3应用支撑层

由数据交换和云服务平台构成，是应用系统的基础支撑，保证系统具有良好的适应性、扩展性和资源的高度共享。负责信息存储、整合、交换。通过统一的入口进行访问，使得互联网资源、结构化数据资源和非结构化文档，以及应用系统跨数据库、系统平台之间能够实现无缝接入和集成［4］，支持信息访问、传递及协作，高效开发、集成、部署、管理个性化业务应用。其中，数据交换平台实现数据的自动提取与转换，支持手工录入和数据审核，是为不同的数据库、数据格式之间进行数据交换而提供服务的平台［5］。云服务平台负责第三方数据中心的数据存储和处理。

1.4应用层

负责接收和处理监测终端上传的数据，集中展现各遥测点信息，并通过 GIS、水质远程查询与分析、水污染应急预案、报警综合管理、移动终端、水质污染智能化决策指挥、水资源保护、视频监控及公共服务等系统向公众提供应用服务。

2　系统网络通信的设计与实现

2.1系统网络总体结构设计

盱眙县水源地水质污染监控网络通信系统建设主要包括 9 个区域建设和各区域之间网络拓扑结构，如图 2 所示。

根据访问目标、策略、信息性质、功能特点等，将网络划分为 9 个安全域：互联网接入区、电子政务接入区、水务网接入区、各区县网络接入区、核心交换区、楼层办公区、应用服务器区、数据存储备份区和安全运维管理区。

核心交换区是整个系统网络结构图的核心部分，其他 8 个安全域都通过该核心交换区进行数据和业务交流。核心交换区中的核心虚拟系统使用双备份系统，先后经过入侵检测防御系统和外网防火墙接入互联网，保证了系统内部的安全性。

本地和第三方数据中心用于数据存储和处理。其中，本地数据中心由应用服务器区和数据存储区组成。应用服务器区为主数据中心，负责整个系统的数据存储。数据存储区拥有容灾备份系统，负责数据备份和恢复，提高整个系统的容灾能力。本地数据中心的数据通过服务器汇聚交换机捆绑上行至核心虚拟系统。

第三方数据中心搭建在云平台上，主要负责存储、处理水源地监测点传感器单元实时采集的监控数据，为应用层业务提供数据支撑。系统采用虚拟私有云（VPC）［6］方案，在第三方数据中心内部通过技术手段隔离出一个专用计算环境，并通过专用安全通道与核心交换区连接，既能够保证数据的安全性，又能屏蔽异构云间复杂的互操作。

政府机构通过电信运营商提供的互联网服务接入核心交换区获取所需信息，实施电子政务办理。市水利局通过水务专网接入核心交换区，方便快捷且安全性高。下级各区县单位可通过广域网或者虚拟专用网［6］（建议使用虚拟专用网）接入核心交换区进行数据获取或上报。为了保护各区县单位内部系统安全，接入区内部都安装有 UTM 安全网关。

图2　系统网络通信总体结构图

安全运维管理区通过管理区接入交换机与核心交换区互联，负责网络安全管理，通过漏洞扫描和堡垒机技术，了解运行的应用服务和网络的安全设置，及时发现安全漏洞，评估网络风险等级，尽快修补网络安全漏洞，更正系统中的错误设置，防范黑客攻击行为。实时收集和监测网络环境中每一个模块的系统状态、网络活动和安全事件，以便集中报警、记录、分析和处理。

2.2系统通信接口软件的设计与实现

2.2.1数据传输协议

由于系统感知层的各传感器终端使用的数据格式和数据传输协议各不相同，导致传输的数据不能被接收端正确的理解和处理。所以根据实际情况，在 TCP/IP 协议的基础上，自定义了数据通信协议，如表 1 所示，以实现从数据流中方便提取数据，保证数据的正确传输和接收。消息内容的封闭部分如图 3 所示。

表1　终端与服务器之间的通信格式

图3　数据格式

按照自定义数据传输协议，终端可将带有本机IP 地址的消息传送到数据中心，数据中心也可提取出相应终端的数据并将数据准确发送到指定终端，实现数据传输的实时性和准确性。

2.2.2通信接口软件的实现

如图 2 所示，整个系统是由虚拟专用网、移动通信网和互联网组成，各网络不在同一网段，无法进行直接的通信，并且，为了进一步保障系统数据中心的安全，因此，在服务器上设置了一个接口程序，将终端与数据中心通过此接口程序连接起来，达到终端与数据中心的透明传输，并实现控制中心对终端的实时监控和命令发送。

通信接口软件承担了将终端与数据中心之间的数据实时、准确转发，达到透明传输任务的作用，因此，此接口软件上设置相应的端口循环监听终端，并将所连接上的终端地址保存起来，以此保持终端与数据中心的连通与信息的有目的传输，当终端向数据中心传送数据时，通信服务端将此消息中的目的地址（格式如表 1 所示）取出，并循环查询所连接的终端中的地址，找出此地址并将消息转发给它；当数据中心向终端发送消息时，按照实际需求，可以将指令群发给终端，也可以根据之前收到的终端的数据信息中的终端源地址有目的地发送消息，通信接口程序都能将消息准确地接收和发送。

3　系统关键模块设计与实现

3.1系统关键模块设计

基于物联网的水质污染监控系统主要由水源地地理信息、水质远程查询与分析、水质水污染应急预案、报警综合管理和移动终端等模块组成。系统的主要模块如图 4 所示。

图4　水污染监控系统主要模块图

3.2系统各模块具体功能实现

3.2.1水源地地理信息模块

由分布在各个监测点的信息采集传感单元从水源地采集水情、工情数据，并将数据输入到系统中。通过对监测值的分类存储、分析、运算、管理和显示，建立水源地的基础地理信息数据库、空间数据库［7］、基本情况表、监测数据库。实现图形和非图形属性数据的关联，以及水源地基础地理信息数据库、空间数据库、基本情况表和监测数据库的更新维护。

3.2.2水质远程查询与分析模块

依托地理信息系统，根据不同的索引，对一定时期的监测信息进行查询和分析。该系统集纳了水源地的实时雨水情、饮用水源保护、污染源、水系、水资源和水质等监测数据。系统的监测指标主要包括 pH，DO，COD，藻化等水质的物理量指标和酚、氰化物、汞、砷、硌、镉、铅、铜等重金属超标准含量［8］。通过该系统适时实现监测数据分析，及时将分析结果、水质类型等信息发布出去，方便用户对监测结果进行浏览和下载。

3.2.3水质污染应急预案模块

1）应急预案数字化。应急预案数字化是指应急预案经过结构化、信息化、智能化的过程，使应急预案真正成为应急管理工作中可操作、可视化、可考察、可量化的应急预案［9］。a. 将文本预案进行结构化分解；b. 分析应急预案流程图，将预案流程图与各种信息资源关联，收集水污染事件的典型案例，参考专家制定的预案模型，将预案中的对象数字化，构建知识库和规则库；c. 根据知识库和规则库开发应急预案系统模块，实现应急预案数字化。

2）水污染预警决策支持。根据监测结果，针对不同的水质污染状况、污染物浓度的时空分布情况、控制指标及污染源排放情况进行污染预估，并尽快确定合理有效的水质污染处理方案。

系统建立包括模型参数库、预警方案库和规则库在内的决策支持库，通过计算机仿真、制定相应预警流程、划分预警发布等级（黄色、橙色、红色分别对应一，二，三级报警等级），建立了一整套完善的预警决策体系。在发生水质污染事故时，迅速确定污染地点，明确污染物种类，及时确定污染强度最大点，由此确定隔离范围、防护范围、安全距离（区域）并及时公布水质污染应急预案与防治对策。

3.2.4报警综合管理模块

1）设备故障报警。系统自动根据在线监测信号预判流量和水质传感器等设备故障并以鸣响和信号灯闪烁方式报警，设备故障按照影响严重程度划分为 4 个等级：a. I 级故障。整个系统完全瘫痪，不能运行。b. II 级故障。系统性能严重下降，如网络性能明显下降、设备出现故障或软件系统出现非瘫痪性错误等，导致客户业务受到严重影响。c. III 级故障。系统部分设备或者软件出现故障，但整个系统仍可正常运行，客户业务运作受到一定影响。d. IV 级故障。需要软硬件产品功能、安装或配置方面的信息和支援，客户的业务运作几乎或者根本没有受到影响。对于 I，II，III，IV 级故障，技术服务人员将分别在 2，4，6，8 h 之内到达现场，最短时间内解决故障，分别按照相应预案进行处理。

2）水位雨量报警。主要功能是对水源地进行监测，自动检测水位状况、雨量大小，及时发现问题并以短信方式报警，防止因为水源地水位过低或过高造成危害。监测点设备能够自动对水源地水位、雨量进行实时监测，并对水位和雨量数据进行分析，设置关键点水位雨量报警级别，同时添加对应报警级别应急预案，记录水位报警后的变化过程。

3）水质污染报警。水质污染是指原水感官性状、无机污染物、有机污染物、微生物和放射性等五大类指标异常，导致出厂水质和制水生产过程受到不同程度的影响，对人体健康和供水水质造成危害的水质状况［10］。通过该报警子系统，能够及时发现水质污染，以短信方式报警，并公布水质污染类型、污染程度、发生的地点和范围、污染源地理分布图、监测点位置及防护措施与治理方案，降低水质污染对人体健康、农业、渔业及工业生产等造成的危害。

3.2.5移动终端模块

1）水质信息录入。实现水质信息的远程录入，系统用户可以在移动终端将水质监测数据录入系统数据库，以便系统用户查询和分析［8］。该系统不仅记录了水源地的水质监测数据，还记录了水源地的地点、操作人员、操作时间等必要的信息。

2）手机水质污染取证上报。除了由分布在各监测点的信息采集传感单元对水量、水位和水质信息进行采集外，还可以通过手机水质污染取证上报系统获取水质污染数据。若移动终端用户发现水质污染现象，可以及时拍照取证并上传到系统。待相关技术人员接收检验后，给予用户答复，并把污染数据发送给水质污染报警子系统，及时给出处理方案和防护措施。

3）水质信息微信查询。用户通过关注水质污染监控系统的微信公众号，以时间和监测点为索引查询水源地水质信息。根据用户需求输出监控数据的日、月、季、年平均数据和大小极值，水质分析结果等，公布水源地水质类型，并对超过国家标准指标的生活用水、饮用水提出警示，通过各种统计报告和监测图表直观地显示水质信息。

4　结语

水源地水质污染监控系统集监测、存储、计算和管理为一体，结合水质监测的实际特点，采用物联网架构和自定义的数据传输协议，综合运用GIS、网络通信、多媒体、传感器及计算机仿真等技术，对水源地水质、水位和流量等状况进行数字化采集与存储，动态监测水源地水质、水位和流量等的变化过程，并将其显示和发布给公众。通过水源地水情、工情信息采集、应急预案数字化、报警综合管理和控制，构筑形成一整套完善的监控体系。划分了预警发布等级，制定了水质污染应急防护措施和处理流程，实现了对水源地监测数据的综合应用，有效地为水源地水质安全保障提供支持。

［1］ 王化建，刘坤，刘鹤，等. 基于物联网的水环境在线监测系统的研发［J］. 电子技术，2014，13 （10）: 46-49.

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［5］ 段远斌. 塔里木河水资源管理信息化整合技术实现与分析［J］. 水利信息化，2015 （15）: 46-49.

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Design and Implementation of Water Pollution Monitor System based on Internet of Things

WU Wenxia1， ZHU Jinxiu1，2， CHEN Fenyuan3， HUANG Jiejie3， ZHAN Wanlin4
（1. College of IOT Engineering， HoHai University， Changzhou 213022， China；2. Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of World Water Valley and Water Ecological Civilization，
Nanjing 211100， China；3. Water Conservancy Design Office of Xuyi County in Jiangsu Province， Xuyi 211700， China；4. Water and Soil Conservation Office of Xuyi County， Xuyi 211700， China）

The water pollution monitor system establishes a set of thorough water pollution monitoring and management system， using Internet of Things framework， as well as making use of the technology of GIS， network communications， multimedia， sensor and computer simulation. This paper introduces the overall structure of the system and describes the design and implementation of network communication and key modules of system. The system realizes the real-time monitoring of water pollution and the comprehensive application of water source monitoring data through the water quality remote inquiry analysis， digitalization of emergency plan and the alarm integrated management. It provides supports effectively for water quality safety and security.

Internet of Things framework； water pollution monitoring； custom data transmission； digitalization of emergency plan

X832

A

1674-9405（2016）04-0036-05

10.19364/j.1674-9405.2016.04.008

2016-05-20

江苏省水利科技项目（2015077）

吴文霞（1995- ），女，江苏南通人，本科生，主修物联网工程专业。