基于物联网的智能河流检测系统的研究

黄蓝会

（宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡721016）

基于物联网的智能河流检测系统的研究

黄蓝会

（宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡721016）

针对当前渭河流域检测水文设备不足、各监测站数据无法共享的情况，提出了一套有效可行的基于物联网的智能河流检测系统。该系统利用水质检测装置和河道采砂检测装置进行环境检测，同时配合无线通信网络将数据传至远程服务器存储。本系统已经通过国家实用新型专利审批，实际测量数据表明，该系统检测数据符合正常范围。

物联网；河流检测；嵌入式技术；传感器

对河流的气象、水文、水质等监测近年来越来越为人所关注，河流水资源整体的保护、调度与综合利用成为必要研究方向［1_2］。陕西省以渭河为例，已投入和使用的大型干流水文站有拓石、林家村、魏家堡、咸阳、临潼、华县6处；水位站有耿镇、交口、渭南、陈村、华阴、吊桥6处；投入和使用的渭河干流水质监测站有宝鸡魏家堡断面、杨凌断面、咸阳断面、渭南断面4个；这些监测站的投入和使用对渭河流域的监测和保护起到了至关重要的作用。

由于水文站数量不足，无法全方位的监控和调度，而且各个水文站的信息没有共享，针对采砂的检测没有完善，造成个别干流流域私自采砂现象影响河道正常的行洪与泄洪，在突发洪水的情况下，管理部门无法及时调查取证，掌握实时动态［3_4］。因此发展微型河流检测系统势在必行，通过采用各种高精度传感器，将所采集到的信息传送到后台，小型监测站能最大程度地保证自动运行以减少维护费用和人力资源［5_6］。

1　相关技术

河流监测技术是我国实现水文水利信息化的重要手段，它标志着我国信息技术在水文、地质灾害、农业生产应用的水平。河流监测技术主要涉及传感器技术、嵌入式技术、通信技术、存储技术、信息处理技术以及人工智能等多种高新信息技术［7_8］。

物联网是将传感设备或智能仪表通过网络连接起来，进行信息交换，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念［9_10］。物联网涉及的主要技术有传感器技术、数据融合与智能技术、云计算和网络通讯技术［11］。

2　总体设计

该系统总体架构分为应用层、网络层和感知层［12］。在应用层中主要进行数据采集、分析、决策，并将数据通过网络发布；在网络层主要是通过卫星、移动通信以及互联网三者结合的形式开展数据的采集和共享；在感知层中，主要涉及气象信息传感器、GPRS、远程控制终端等设备。

3　系统设计

如图2所示，基于物联网的智能河流监测系统包括微型气象站1、水文站2、智能环境监测站3和小型无人监测飞行器4，还包括无线通信网络5和远程服务器6，微型气象站1、水文站2、智能环境监测站3和小型无人监测飞行器4分别卫星定位装置二322和摄像装置一323，且振动传感器321、GPS卫星定位装置二322和摄像装置一323分别通过无线通信网络5向远程服务器6发送震动信息、位置信息和视频信息。小型无人监测飞行器4内设有GPS卫星定位装置三41和摄像装置二42，且GPS卫星定位装置三41和摄像装置二42分别通过无线通信网络5向远程服务器6发送位置信息和视频信息。远程服务器6为电脑或智能手持设备。无线通信网络5包括WIFI和GSM/GPRS。本系统通过微型气象站1、水文站2、智能环境监测站3和小型无人监测飞行器4接收信息，并通过无线通信网络5发送给远程服务器6，能实现自动监测，避免了大量人力投入到一线的问题。

监测站通过RS_232通讯口与装入中国移动数据SIM卡的GPRS DTU传输模块连接，监测总站实时接收监测子站发送的数据。无线传输模块把GPS卫星定位装置收集到的信息通过附近的移动基站传送到GPRS网络中，再经由互联网传送到数据采集服务器中，从而完成整个数据的传输过程［13］。

智能环境监测站主要采用AVR Atmega128L微控制器，通过RS_232串口与GPRS模块MC39i进行通信，主要完成对水质数据的采集，利用GPRS网络传送给远程服务器后再对数据进行处理和显示［14］。

采集终端被分配了唯一地址后将其地址信息存储在数据库并发送到远程服务器备份。采集终端设备上电后各个功能模块被初始化，同时开始GPRS模块供电，然后判断网络连接通过无线通信网络5与远程服务器6连接。

微型气象站1包括气象信息传感器11、气象数据采集器12和GPS卫星定位装置一13。智能环境监测站3包括水质检测装置31和河道采砂监测装置32。水质检测装置31包括水质采样器311、水质检测仪312和水质数据处理器313，水质数据处理313控制水质采样器311采样并经水质检测仪312检测数据，并通过无线通信网络5向远程服务器6发送检测数据。河道采砂监测装置32包括振动传感器321、GPS是否正常，如果正常，30分钟采集一次水质数据，记录下采集时间和变量信息，连续采集10次，进一步进行数字滤波处理后将数据平均值打包发送到远程服务器。

图1　系统总体架构

图2　系统硬件设计

4　实验结果与分析

渭河宝鸡段以林家村宝鸡峡大坝为界，隶属渭河上游和中游段，全长224 km，占渭河总干流的27.4%。目前宝鸡市96%以上的人口和93%以上的国民生产总值都聚集在渭河流域，同时渭河也是宝鸡市重要的农业灌溉水源和川道地下水的重要补给水源，担负着泄洪、维护生态平衡的重要任务，是宝鸡市当之无愧的经济社会发展生命线，然而，近年来由于气候变暖，加之经济发展耗水量的急剧增加，渭河流域水资源严重短缺，水污染加剧［15］。

本文提及的智能河流检测系统于2015年底申请了国家新型专利，专利号为CN204730833U。为了较全面地反映渭河宝鸡段水质变化状况，根据该段河流的自然特征及整体污染特点，沿渭河流向自西向东依次选取了林家村、虢镇桥、常兴桥三个监测断面。依据地表水环境质量标准（GB3838 2002），监测项目共24项，根据水质评价参数选择的针对性原则、适度原则、监测技术可行原则，结合渭河宝鸡段所受纳的主要污水类型及水质污染的主要影响因素，考虑到某些项目未检出和3个断面数据的一致性，主要检测如下3个数据，分别是pH，反映水体酸碱程度；DO值，反映水体自净能力；BOD5，反映河流有机污染程度［5］。实验时间为2015年10月30日，从上午9点开始，间隔1小时取样一次，信息存储到ACCESS数据库，系统数据截图如图3所示，其中设备编码1代表林家村站，编码2代码虢镇桥站，编码3代表常兴桥站。

图3　系统数据库截图

将系统检测平均数据与宝鸡市环境监测站2010年和2012年的原始数据进行对比，分析其偏差。具体如表1所示。

表1　渭河宝鸡段2010、2012、2015年3断面监测数据

检测数据显示，PH值3个监测点数据持平，变化不大，系统检测值处于正常范围；DO值系统检测出只有林家冲点值较往年升高，其他两个点均有不同程度的降低；BOD5值2015检测值只有虢镇桥点有升高，升高点也在正常范围。通过调查发现，由于虢镇桥紧邻市区，市内生活废水和垃圾排污主要集中于此，所以DO值逐年下降而BOD5值逐年上升。本系统调查取样值和2010、2012年对比，趋于正常范围。

5　结束语

针对渭河流域宝鸡段水利检测设备不足以及各个检测站点数据无法实时共享的情况，利用物联网技术和传感器技术设计了一套河流检测系统，实时掌握各监测点的实际水质及采砂情况，该系统功耗低，可扩展，适用于多种工作模式，目前已经在宝鸡段部分监测点试用。

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Research on lntelllgent rlVer detectlon system based on lnternet of thlngs

HUANG Lan_hui
（Department of Computer Science，Baoji University of Arts and Science，Baoji 721016，China）

According to the need of the current rapid deve1opment of hydro1ogica1 monitoring system，The rea1 situation is the 1ack of equipment to measure hydro1ogy and Each monitoring station data can not be shared，this paper puts forward a comp1ete and feasib1e hydro1ogica1 monitoring systemso1ution based on Internet of things techno1ogy.The main function of the system is to carry out environmenta1 detection，and the main device of the system is water qua1ity detection device and a detection device of sand，at the same time with the wire1ess communication network can transmit the data to the remote storage server.The system has been approved by the nationa1 uti1ity mode1 patent.The experimenta1 resu1ts show that the system is in the norma1 range.

internet of thingsjriver detectionj embedded techno1ogyjsensor

TN6

A

1674_6236（2016）10_0080_03

2016_01_27稿件编号：201601258

国家自然科学基金（61379030）；陕西省教育厅专项科研项目（15JK1028）

黄蓝会（1980—），女，湖南岳阳人，硕士，讲师。研究方向：物联网应用，数据挖掘。