浅谈超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术在水资源监测中的应用

潘凡峰

（上海开山中夏节能环保科技有限公司，上海市 201401）

0 引言

随着中国经济迅速发展，中国制造全面提高了人民的生活水平，同时对水资源、大气污染已经到了不得不治理的阶段了。要治理必须全面了解实际情况，目前我们国家已经建设过很多监测手段，包括有线的电缆、光缆，也包括无线的GPRS、卫星通信等技术手段。但因有线的方式经常性遇到盗窃、施工挖断、地质灾害等情况阻断通信，而且在大范围的野外条件下，寻找故障点、检修非常困难。所以有线监测方式现在还是条件有限。而现有无线通信方式又存在外用资源多，更换电池频繁等维护困难的情况，所以也存在不可回避的矛盾。所以我们就要寻求一种超低功耗，即两年以上不更换电池，同时任何一个节点出现故障都会自动弥补的智能自组网结构的监测系统。

目前我国地表水成分逐渐趋于复杂，有机成分增多，原来以分析浊度、离子为主，现在可以加一些微量有机污染物，如除草剂、杀虫剂、消毒副产物等的监测，针对性监测水体富营养化，有效预防藻类过量繁殖，产生难闻的嗅味和有害的藻毒素保障用水安全和公共安全，维护人民的健康水平[1-3]。

1 超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术系统情况介绍

1.1 超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的基本工作原理

1.1.1 技术特征介绍及应用范围

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术是物联网开发领域的核心技术，最初由国外相关领域的资深软硬件的公司和专家所垄断，打造下一代工业物联网产品，提供高水准的解决方案；其产品将循序渐进地覆盖工业监测，环境保护、公共安全等不同领域。运用最新无线传感网技术和相关人工智能技术，传输可靠，安装便捷；智能程度，监测强度和探测精度进一步提高；为实现大规模在线监控带来了契机。

1.1.2 超低能耗人工智能（AI）无线自组网络解决方案

超低能耗人工智能（AI）无线自组网络解决方案，包括人工智能（AI）自组网，自组网可以通过自己的通信协议直接接入监控室，在偏远地区的独立区域也可以接入GPRS，WIFI等选项。用户可根据具体应用选择不同无线方案。

1.1.3 自组网解决方案

超低能耗人工智能（AI）无线自组网解决方案。在下图中，叶子节点代表每个监测点；路由节点负责发现动态路径，进行数据传输；协调节点负责管理传感网，接受管理指令，并将数据送往控制中心。

超低能耗人工智能（AI）无线自组传感网具有下列功能：

（1）支持协调节点，路由节点和叶子节点之功能；

（2）支持单播，组播和广播之功能；

（3）支持星状，树状，和网状拓扑；

（4）每个路由可支持20个叶子节点；

（5）允许不同监测终端混合布局，分别监测不同物理、化学参数；

（6）支持动态路由，具有自我修复功能；

（7）监测信息可经由自组网，通过协调节点直接送往监测中心；

（8）监测信息也可经由自组网，通过协调节点和局域网送往监测中心。

监控设备由电池或外部供电，路由和网关由外部供电，自组网没有周期性费用，数据的私密性得到保证，见图1。

图1 超低能耗人工智能无线自组网解决

在偏远地区的独立区域内，远程的数据传输也可以通过移动营运商的网络传递数据，监控设备通过营运商与管理平台交流，设备一般使用外部供电，每台监控设备可能需要支付移动服务费用。因数据通过营运商网络，私密性明显低于自组网方案。

在区域条件比较好、现场有必要设置监控室的情况下，也可以通过监控现场的WIFI路由与管理平台交流，监控设备由电池或外部供电，没有周期性费用。

传统监测器需要为每台设备铺设数据线和电源线，大量部署时，成本十分可观。如果在防爆区，每台监测设备往往单独铺设线路，工程尤为浩大。智能双核自组网防爆探测器，无需铺设数据线。其中探测包括溶氧量、透明度、氨氮、重金属离子等在内数十种传感器系列探测器使用电池供电，彻底摆脱了有线状态；在1～5 s高频度巡检，保持网络通畅的前提下，续航时间4 a以上，此记录达世界水准，目前全球同类产品中无出其右,极大程度降低和缩短了安装维护的成本和时间。监测重金属离子等水体的E系列探测器，使用外部电源或充电电池驱动，可以达到PPB精度。超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的解决方案提供了全新的功能，具有杰出的灵活性，可塑性和伸展性，是水体检测系统融入大型物联网平台，通向智慧地球目标的桥梁。

智能双核自组网防爆水体物理指标探测器，无线传输网络和管理平台等组成。探测器用来探测水体污染及其在水体中的浓度；无线传输网络负责传送监测数据和系统数据；软件平台具有系统管理，数据处理，分级报警,动态分析等功能，如果需要可以提供预案或在线建议等。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯提供从终端设备到自组网和管理平台的端到端水体监控整体解决方案，通过常规局域网或互联网将相关信息送往监测中心和移动终端，包括手机和PDA；也可以通过软件集成，融入大规模新型物联网系统。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网水体监测解决方案可以用来全天候密集监测区域内有毒有害污染物的泄漏和排放情况。如发现异常，酌情进行分级报警，并通知相关工作人员和管理人员实时处理，避免发生重大灾难，人员伤亡和财产损失。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术水体监测解决方案的应用范围大致分为以下几类；

（1）各类工业园区，施工工地附近水体监测管理；

（2）各类具有航道功能的水体监测管理；

（3）天然河道、湖泊。

1.2 超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术智能双核自组网水资源监测节点传感器基本功能

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术研发的基于最新物联网技术的智能双核自组网物理化学量探测器具有以下功能和特点：

（1）配备多个微处理器，协同工作，较之单处理器具有显著优势；

（2）可加入无线动态自组传感网，进行有效的数据交流；

（3）能够与模拟和数字水体传感器整合，有效监测有毒有害有污染的水体数据；

（4）运用独特的软硬件技术，优化传感器的敏感性和分辨率；

（5）根据污染程度和客户需求，自动分级报警；

（6）可探测PPM浓度和PPB浓度的目标物理量；

（7）支持温度补偿和传感器年龄追踪；

（8）支持智能自动调零纠偏功能；

（9）通过管理软件,支持参数客户化功能；

（10）可以具有防水防爆功能；

（11）在1～5 s巡检频度的条件下，续航4 a以上无需更换电池；

（12）技术上可以提供小屏幕，便于局部查看污染和设备运行状况；

（13）支持磁性遥控开关，方便现场操作；

（14）精确，高效，灵活，低能耗，综合性能达到国际水准。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术智能双核自组网防爆水体探测器分为B系列和E系列。B系列由电池驱动，通常提供PPM精度，用来进行目标监控；目标水体污染指标初设为溶解氧、透明度、氨氮等。使用电池驱动，在高频度巡检（数秒间隔）的情况下，续航数年无需更换电池。

除自组网外，超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术智能双核自组网探测器还提供更多的网络选择，支持WIFI，2G/3G/4G等通讯方式，最后殊途同归，纳入同一物联网管理平台。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术智能双核自组网防爆水体B系列探测器覆盖的目标水体见附3；E系列探测器覆盖的目标水体见附4。

2 部署安装选点

部署安装选点示意见图2。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的智能双核自组网防爆水体探测器可以安装于江海湖河任何需要监控的位置，以间距50 m左右覆盖安装，通信距离超过150 m，在重合区域人工智能组网；协调节点则可通过USB与电脑直接相连，或USB服务器经由局域网与电脑相连。

图2 部署安装选点示意图

3 物联网水体监测管理平台

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术物联网水体监测管理平台是控制和管理系统的平台。平台可以部署在传感网涵盖的区域，也可以部署在与局域网和互联网连接的远端设备上，以覆盖大面积，多区域的工作生活场所。管理平台由配置管理，配置代理，数据库，应用代理，监测预警，用户管理，传感网管理，群落管理，分区分组管理和统计管理，网络服务等模块所组成，主要具有以下功能：

（1）提供管理配置功能，如果需要提供地图界面；

（2）提供图象界面动态展示监测结果；

（3）提供不同级别的警示功能，中心控制室可见报警窗口和鸣叫；

（4）可根据需要将报警信号送往相关人员手机；

（5）如果需要，可以提供应急建议或指导；

（6）提供用户管理和权限管理；

（7）提供监测器群落管理和部署区域管理；

（8）维护历史数据和数据库中的其他信息；

（9）提供系统维护管理并指导维护工作（如提醒更换传感器和电池）；

（10）提供统计信息和其他管理功能；

（11）以后还将推出智能推理机和以模糊数学为基础的水体或液体流向分析；

（12）管理平台可以与其它超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术管理系统融合，组成统一的物联网管控平台。

作为物联网水体监测管理平台的补充，超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术计划在适当的时候推出配套的手持机移动管理平台。手持机可以方便管理人员现场移动办公，及时处理各类信息，提高办公效率。在常规网络出现故障或无法接通的区域，手持机可以支持在线或离线操作，以避免管理真空。

4 目前国内外同类技术发展

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的智能双核自组网防爆水体探测器和其他物联网产品及核心技术在国内长周期电池供电监测领域具有较大优势。

在国际市场的竞争中，超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的优势在于：

（1）智能双核自组网防爆水体探测器具有后发优势，使用更先进的芯片和多个微处理器开发平台；

（2）提供更加丰富的系统功能和智能手段；

（3）国外同类产品（即具备无线自组传感网功能）中，许多不具备防水防爆功能；

（4）制造开发成本低于国外，超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术工业物联网产品实际应用中有优势；

（5）超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的管理平台将引入人工智能和模糊数学等分析手段，从而将系统提高到新的高度；

（6）超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术的解决方案立足于融入大型物联网管理平台，具有巨大的拓展空间。

5 结论

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯系统在水体监测领域的应用，可以极大地提高水体污染监控的效率和数据的准确性。人工智能自组网可以在单个节点损坏或者遭到人为破坏的情况下利用其它节点进行及时修复，保证通讯的顺畅，提高系统可靠性。利用双CPU设置保障系统稳定性并且使通讯与物理采样分开，同时可以实现系统休眠，从而保证系统的节能，使电池寿命可以延长到两年至四年都不用更换，节约系统维护成本，并且降低项目实施难度，提高实施效率。

超低能耗人工智能（AI）无线自组网通讯技术正在酝酿规划工业物联网管控一体化系统，系统将融合工业物联网各类应用，集视频监控，数据采集，安检预警，专家系统和其他管理平台于一体，形成统一的大型物联网管控系统。水体监测预警系统将成为大型工业物联网一体化系统的一个子集，系统面向未来，将覆盖持续增长。