浅谈物联网技术在水环境监测系统中的应用

周 昊

一、前言

党的十九大报告把坚持人与自然和谐共生纳入新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本法方略。水生态文明建设是生态文明建设的重要组成部分，为实现生态水利建设目标，必须不断增强现代水利和智慧水利建设，以最新的科学技术引领水利工作开创新局面。

物联网（Internet of things，简称IoT）起源于1999年，美国麻省理工学院建立了“自动识别中心”（Auto-ID），提出所有能够被独立寻址的普通物理对象皆可应用于网络互联，最早阐明了物联网技术的含义。物联网是当前新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的一个重要发展阶段。以互联网为核心和基础，将互联终端延展到任何物体，并利用先进的智能感知技术、智能识别技术与通信感知技术，对物理对象进行信息收集、交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

目前，在水环境监测领域引入物联网技术已经成为水环境监测和管理新的发展方向，通过传感器、二维码、射频识别、监测分析仪等智能感知设备，迅速全面地采集水文水环境数据、监控设备数据，通过完善的网络渠道传输到信息处理平台进行存储、管理和分析，实现管理部门对水环境信息的实时监控。通过以物联网为基础的水利信息化平台，还可实现水文水资源监测站点测控、数据传输装置以及水利工程的远程监控和设备控制，提高了系统运行的可靠性和稳定性，可有效应对和防止突发性水环境污染事故，为水环境监测和管理提供了便利。

二、水环境监测系统架构

依据物联网体系结构，水环境数据监测及分析系统的体系结构可以分为以下三层：

1.感知层

感知层即数据采集层，主要应用各种传感器、识读器、读写器、摄像头识别物体、采集信息。该层的核心技术包括射频技术、传感器技术。通过射频和传感器将水文监测站和数据采集设备接入互联网，实现水文数据的采集、处理和分析。在水环境监测系统中，感知层主要包括水质检测仪、降水传感器、水位传感器、墒情传感器、地下水监测仪等。

2.网络传输层

网络传输层由有线、无线网络以及互联网和局域网组成，相当于人身体上的中枢神经，主要包括GPRS技术、卫星技术和互联网技术，负责将获取的水文信息数据通过安全的方式传输到监测控制中心，以供管理人员根据不同的应用需求进行数据处理。物联网的网络传输层需要荷载巨大的数据传输量，并且需要提供高效安全稳定的网络服务，需要对现有的网络构成进行扩展和融合。一般而言，当前应用的网络标准有4G通信网络、WIFI、IPv6、ZiBee以及即将到来的5G等等。

3.应用层

应用层的功能主要是负责监测、统计、预警以及分析感知层获取到的各种信息数据，由视频监控系统、水环境监测系统、实时数据库系统等组成，为水环境监测管理部门提供相应信息数据和各项基础的监管服务，包括水质公告、水污染预警预测、污染源管理、废污水监测、水环境监测等等。

此外，在水环境监测系统架构中，还包括安全服务保障和数据存储。数据存储主要是业务数据存储中心，辅以各类硬件系统，承担数据的接收、存储、分类管理以及转换等。安全保障贯穿于系统架构的各个层级，包括安全体系、建设与管理体系、标准规范等，为整个系统的安全、稳定、规范运行提供保障。

三、水环境监测系统的总体功能

水环境监测系统的总体功能设计是通过系统平台对数据和业务进行管理与融合，设定科学统一的控制指令对系统中的各项设备进行控制，从而实现水环境、水质、水污染的监测、预警和管理。目前国内主流水环境监控系统的功能可分为水污染监测、水文信息监测、水质监测、GIS发布、视频监视等。水污染监测包括水污染排放企业信息管理、河流污染物排放统计、河流污染变化分析等；水文系统监测包括雨水情信息、水位数据监测、流量数据监控、防汛信息预警等；水质监测包括水质类别分析、水质达标评价、水质变化预警、应急处理方案等；GIS发布包括水环境信息展示、空间基础信息展示、水环境变化展示、达标情况公布、污染排放展示等，通过集成GIS地图，可概览信息地图的各项数据和介绍；视频监视系统包括河流污染排放口监视、水文站点监控、污水处理厂运行监控等，通过摄像设备对重要站点和排放口进行视频监控，并提供视频回放服务。

除了水文水污染等水环境信息的监测监控之外，水环境监测系统还可提供权限分级，为管理人员按照权限提供不同范围的数据查询和功能服务。水环境监测系统中的维护、维修工具也可以指导管理人员对监测设备进行远程操作和维护，大大提高了监测设备运行的稳定性。

四、基于物联网的水环境监测系统关键技术

1.射频识别技术

射频识别（RFID）是一种非接触性的智能化自动识别技术。水环境自动监测站点通常位于偏远地带，自然条件相对较差，特别适合射频识别技术的应用。为监测站点安装射频发射装置，可通过射频信号自动识别并获取监测仪器的相关数据。

射频识别技术一般由三个部分组成：（1）标签。集成了芯片和耦合原件，每个标签都是唯一的电子编码，以此来识别目标对象。（2）读写器。读写器由基带前端、射频前端和外部接口组成，可实现通信事件调度、以太网对外通讯、RFID信号处理以及人机交互等功能。（3）天线。负责在读写器和标签之间传递射频信号，读写器通过天线在一定频率中发射信号，扫描到标签时，标签天线从辐射场中获取对应的命令并做出处理，使得天线可以发送自身编码等应答信息。

2.传感器网络技术

传感器是物质世界的感觉器官，可以通过声、光、电、物体移动等信号来感知物体，为物联网系统收集、传输、分析和反馈提供基础信息。传感器网络节点包括传感单元、通信单元、处理单元，在水环境监测站和相关设备上布置传感器网络节点，可以通过自组织方式构成无线网络，实时感知监测区域的水环境信息，并将整个区域内的水环境信息传输到远程控制管理中心，以便控制管理中心获取信息，并可藉由网络通过传感器来操控和管理监测设备。

3.GIS 技术

GIS技术是以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，实时提供空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。通过GIS技术，可以为基于物联网的水环境监测系统打造基础的地理空间数据平台，将水环境监测的物联网组成单元集合到一个统一的空间分析系统中，以便快速对水文自动监测站、排污口等进行定位、追踪和控制，同时可以直观、生动地显示特定区域内水环境质量状况，物联设备的属性信息、空间分布以及最新数据等，籍此可对监控区域内的水环境质量与监测指标进行内在关系分析和判定。

五、结语

随着物联网技术的快速发展，传感器、射频和网络技术适用性相对之前得到了拓展，监测的精准性和设备的可靠性都得到了极大提高，也推动了水环境监测的自动化和智慧化进程。物联网技术监测网络地理条件限制少，组网灵活，可以通过布设传感器来满足特定区域水环境数据的在线远程监测，对于获取水文数据和监测预警水污染事件具有极大意义，基于物联网技术的水环境监测网络数据中心也将随着相关技术的进步迎来更广阔的发展空间