面向农村水厂的水质安全监控系统设计和研究

廖訚彧，朱政坚，王 颖，李诗晴

(1.长沙市水质检测中心，湖南 长沙 410008；2.威胜信息技术股份有限公司，湖南 长沙 410205)

1 引言

国内广大农村饮用水水源大部分来自江、河、湖、库、山泉、雨水积蓄等地表水或浅层地下水.近年来，我国一直把水质监测的重点放在了中大型城市，而忽视了广大农村[1].随着农村城镇化进程的加快，以小型工矿和乡镇企业为主的经济区域迅速发展，然而这些企业中相当一部分属于效益较差、能耗较大、环境污染严重的企业，其工业废水的排放加上农村养殖污染、大量农药化肥的使用以及居民的生活污水，致使村镇饮用水水源污染日益严重[2].

传统实验室水质检测报告的方式已经不能充分、真实、及时地反映农村水污染现状，同时水厂原有的安防系统也无法实现实时预警、快速布控等功能.因此以物联网技术为核心的水质安全监控手段需要应用在村镇饮用水水源等各个重要区域，以保障农村饮用水安全[3-6].

2 系统概述

2.1 物联网技术

物联网技术是根据协议利用感应和通信技术完成信息传递处理任务，进而实现人、物之间的数据交互.通过物联网技术获取传感器、安防监控、设备状态等数据信息并加以处理，以网络信息交互实现在线水质监测、周界安防、设备管理等业务应用，通过24小时不间断、连续监测和远程监控，解决农村水厂存在的监测非实时、预警不及时、设备运行状态不明确等问题.

2.2 总体架构

本文设计了一套面向农村水厂的安全监控系统，该系统利用现代传感技术、自动控制技术、物联网技术、人工智能等多种先进技术并结合农村地区现状进行开发设计，可实现对农村水厂出厂水质参数的实时在线监测，并实现对水厂的周界防护以及设备的运行维护.如图1所示，该系统主要由四层组成，包括：感知层、网络层、物联网平台层及应用层.

(1)感知层.由各种传感器与其他终端设备组成，通过各类传感器对水质的相关信息以及其他终端设备数据进行采集.

(2)网络层.通过4G/GPRS/NB-IoT等进行数据传输，并负责对各采集点能源信息的采集和监控，以满足平台与现场终端的数据交换.

(3)物联网平台层.提供传感器与云端的上下行通道，支撑设备上报与指令下发，从而实现远程监控和执行设备控制.同时具备强大的兼容性及稳定性，使不同型号的终端产品快速实现互联互通，并更快地调用第三方服务.

(4)应用层.包含水质在线监测、设备运行管理、周界安防告警、组织管理、系统管理等综合应用，同时保证平台的灵活性、可扩展性、安全性以及并发处理能力，适应集约化管理和业务发展的需要.

2.3 物联网平台应用特点

水质安全监控系统(图2)以前端感知设备为基础，以物联网平台为核心，通过物联网平台分布式、面向服务、通用开放式的架构，为数据采集和实时控制提供必要的实时通信技术保证，其主要特点如下：

(1)大容量大并发

数据采集平台使用了分布式框架，通过分布式技术和负载均衡技术，大大加强了平台的接入量，使得平台有百万级设备接入的能力和万级并发数据的能力.

(2)多语言多平台

消息队列具有多协议、多开发语言、多平台的能力，数据采集平台通过使用消息服务的方式把数据推送给各个应用系统， 不论应用系统是什么平台都支持，保证多语言多平台化，兼容所有应用系统的接入.

(3)实时性

数据采集平台使用了内存数据库和实时数据库的方式存储.高速、按时存取和处理数据，保证数据操作能够在规定的时间内完成.平台还可以使用MQTT消息机制，通过消息发布和订阅的方式，实时传递数据，确保数据的实时性.

(4)稳定性

数据采集平台使用先进的物联网技术和框架，通过前置机和感知层的设备连接，确保平台通信传输的稳定和可靠，确保采集数据的稳定性.

(5)准确性

数据采集平台和感知层设备之间约定了相关通信协议，通过对协议的严格校验和处理，确保数据的准确性.

(6)安全性

数据采集平台和各个应用子系统之间有严格的账号授权和校验机制，并且数据使用了加密机制，严格管控密钥，只有授权的应用子系统才能获取到数据，确保数据的安全性.

(7)开放性

数据采集平台可以通过各种接口方式，比如Web service接口分发、数据库的分发、MQTT消息机制的分发，把数据分发给各个应用子系统，实现数据的开放性.

2.4 系统功能设计

水质安全监控系统基于B/S架构，采用模块化设计理念，并能与第三方系统进行良好的集成.用户可以在任何时间、地点，通过互联网查看水质状况及设备运行状况.该系统目前主要包括三大模块，分别是水质在线监测模块、设备运行管理模块、安全防护模块.

(一)水质在线监测模块

通过与GIS地图结合可以实时查看各个监测点位的详细情况.包括各个点位的位置、实时数据情况，并以曲线的形式展现各个监测参数的实时变化，使用户能够更加直观地监控各时段的水质情况，同时可对传感器采集的数据进行告警阈值设定，其参数异常的监测点以不同颜色进行告警提醒.

(二)设备运行管理模块

可对监测点位对应的传感器进行增、删、改、查等操作，对传感器运行状况进行实时监控，当传感器出现故障时可查看故障详情.

(三)周界安防管理模块

通过视频监控对水厂周界进行安全防护，同时可对人员设置授权名单，当未授权人员进入重点区域时系统将自动报警，管理人员可通过调取实时监控查看相关情况.

2.5 技术研究重点

2.5.1 水质在线监测模块设计

(1)系统框架

水质在线监测模块是水质安全监控系统的重要组成部分，系统以传感器为基础，运用自动控制技术、物联网技术以及分析软件和通信网络，组成一个从水样采集到数据处理及存储的综合性系统，从而实现水质在线监测以及在线管理.物联网平台是整个系统的核心，负责该项目的设备管理、控制和数据清洗，为科学化的决策提供有效的数据支撑.系统根据传感器采集的各项数据进行智能分析处理，并对各个设备的运行状态实现监管，对事件进行提前预警和及时告警.同时系统还提供数据传输的标准化接口，便于数据交换和远程访问.

(2)系统功能

实时监测水源地及饮用水的水温、溶解氧、pH值、电导率、浊度、余氯等参数，并可扩展其他监测功能；当水质监测数据超标、水质分析设备故障、现场供电异常时系统自动报警；具备监测数据、报警数据的查询、统计、分析功能，可自动生成统计报表和趋势曲线；具备现场设备的实时监控、远程维护、远程诊断等智能管理功能；系统软件支持与其他平台对接，实现多系统联动，以快速应对突发性水污染事件.

(3)系统优点

系统采用模块化、分布式设计模式(图3)，系统模块功能耦合度低，并运用大数据技术，解决接入设备多、数据采集密度大，存储数据量大，访问并发规模大的问题.当一个采集或者前置机无法满足大规模设备的时候，通过消息队列的工作方式，可以开启多个相同的采集或前置机程序来水平扩容，不需要大规模增加硬件配置.

统一的物联网平台，解决不同厂家、不同型号产品接入方式多种多样、接入难的问题.

统一采集平台(图4)，采用协议动态库模式，设计规约解析模块功能，将不同厂家设备协议进行抽象处理，实现不同协议设备的快速接入，大大降低系统二次开发工作量.系统模块化设计框图如图5.

2.5.2 通信系统设计

通信是构建一个物联网的基础，是水质安全监控系统进行数据处理和存储的前提要求.NB-IoT作为物联网通信技术的重要构成之一，具备超强覆盖、超低功耗、超大连接、超低成本等优势特点，受到了各行各业的广泛关注.在本系统中主要采用NB-IoT通信.原理图如图6.

2.6 整体应用效果

2.6.1 技术参数

表1 系统主要技术参数

表2 通信技术主要技术参数

2.6.2 整体应用效果

(1)案例分析

目前在长沙某农村水厂已上线使用智慧运营系统(图7、图8)，通过前端设备的搭建完成了pH、浊度、余氯、温度、电导率、溶解氧等水质参数的实时监测，同时将安防监控数据及设备接入智慧运营系统，为水厂周界安全保驾护航.

(2)成效分析

(a)降低人工成本，提高监测效率

本系统动态实时准确地监测水域水质的变化情况，实现水质实时布控、提前预警；降低人为检测频率，降低人工成本；提高监测效率的同时提高了城市供水水质监管能力.

(b)助力生产安全，提高安防等级

在水厂各主要工艺段和重点安保区域安装摄像机，对生产安全实时监控、对非法入侵和破坏活动实时告警.

(c)实时监管设备，确保稳定运行

对各类终端设备进行实时监控，确保设备的稳定运行，当设备出现问题时，系统可及时告警反馈.

(d)打通数据壁垒，实现互联互通

使各个监测点终端设备数据上传至平台，实现各终端数据的互联互通.通过系统对水质监测数据、监控报警数据等进行整合，并将数据结果以曲线的形式实时展现；对历史数据进行挖掘分析，可比较感兴趣时段的各水质变化情况.

3 结语

通过对长沙农村各水厂相关设备运行情况的调研和分析，对目前人工检测成本高、安全防护不到位、设备运行状态无监控等弊端，提出以传感器为基础、以物联网平台为核心的水质安全自动监控系统，使用户能够实时掌握现场水质状况以及设备运行情况并做好周界防护.利用物联网技术、传感器技术、人工智能等技术建立的智慧运营系统，不仅为长沙农村水质环境提供有效保障，也为全面提升农村乃至城市供水水质环境和应急保障能力提供了强有力的技术支撑.