基于物联网的水生态环境智慧监测及管理系统

摘 要：针对传统水质监测手段效率低下和实时性差的问题，研究利用现代通信技术和物联网技术，对影响水资源的指标进行实时采集，动态监测，实现水环境的智慧监测和监控管理。首先，运用传感器、传输网络、智能联动等技术，构建基于物联网的水生态环境监测系统，实现对流域水生态水环境质量的实时、全面采集，提高水生态水环境保护管理决策的信息化水平。之后，着重研究、分析感知技术和传输技术，并对各类感知技术和设备的适用数据传输模式进行归纳，对在实际应用中可能实现的典型功能进行了系统研究。

关键词：水生态水环境；物联网；5G；智慧监测；RFID射频；实时监测

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

水是生态水环境的关键要素，水生态水环境的稳定与和谐关系着人类的生存与发展，尤其是水生态水环境的保护，对城乡居民的人居环境与社会的发展至关重要。

从“十四五”开始，地表水环境质量监测向纵深方向发展，首先，监测范围不断扩大，由水环境监测向水资源、水环境和水生态“三水”统筹方向发展；其次，监测手段由传统手工地面监测向人工智能化和天地一体化方向发展；再次，监测深度也将不断延伸，由断面水质现状监测向污染溯源监测和监控预警监测方向发展。通过构建“透彻感知、全面互联、智能分析、智慧应用、泛在服务、智慧运维”的物联网监测和管理系统，以提高优化水资源管理，改善生态环境，服务社会经济发展。

因此，发展智慧水生态水环境的物联网监测、监控及预警分级技术，并根据预警分级提出相应的应对策略，对水资源管理及排污治理具有十分重要的战略意义。

1 理论概述

1.1 水生态水环境概述

目前，国内对水生态水环境的研究侧重于水资源的匮乏和水生态水环境的不断恶化。水生态水环境的内涵主要是地表水、地下水以及与人类活动有关的领域，和人为建造的配套设施。

1.2 物联网概述

物联网是一种智能化的服务体系，它是由感知装置按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络。美国麻省理工大学于1999年提出物联网的构想，提倡将无线射频识别技术与因特网相结合，利用因特网推出“智慧地球”计划，从而实现“万物互联”[1]。

在我国，中国科学院上海微电子与资讯科技研究所于2001年开始从事感测网络技术的研究。中国智能感知中心于2009年在无锡建成，加速了物联网技术的研究与产业化。同时，随着网络通信技术、微型传感器技术在各行各业的广泛应用，参与多个国际标准的制订，标志着我国物联网技术正处于飞速发展阶段。

1.3 智能监控在水生态水环境中的应用概况

1990年以后，中国逐步运用智能化设备对水质进行动态监测，提高了水质监测的效率和数据更新速度。利用智能采集设备实时对水质的各项指标进行采集、传输、处理和应用。2000年以后，我国在长江地区建立了多个不同类型的由传感器组成的多维监控网络，利用物联网智慧监测关键技术对水环境资源和水环境灾害进行实时监控。2005年，我国在太湖流域建立了水质数据自动采集与应用系统，主要包括自动水质数据采集，自动浮标采集，蓝藻移动情况采集以及遥感卫星采集，实现了水质数据动态监测和预警[1-2]。

2 水生态环境智慧监测技术

水生态环境智慧监测及管理系统总概括图如图1所示。

2.1 系统架构

水生态环境智慧监测技术的基本系统架构分为信息感知层、数据传输层和应用管理层，分别进行信息传感、数据传送和指令传达。

信息感知层集成了不同类型的传感器模块，可实时采集各种水质指标，如温度、重金属、有害农药、有害生物等参数；网络层负责将采集的数据传输到处理中心，并将处理结果在终端显示；应用层对处理结果进行逻辑处理，并实时监测和反馈。

2.1.1 信息感知层（数据采集）

信息感知层负责各种传感器、采集设备、处理设备、传输设备之间的通信与协调，以保证感知层和传输层之间信息畅通。信息感知层主要通过传感设备、识别读写设备进行摄像，识别物体、采集信息。利用成熟的RFID射频技术、先进的传感器技术将监测站采集的数据信息通过互联网技术实现水生态环境监测数据的采集、处理和分析。水环境监测感知设备主要包括水质检测仪、降水传感器、水位传感器、墒情传感器、地下水监测仪等设备。在水质监测过程中，数据通过现场仪器、数采仪等传送至数据中心，用于应用层；感知层的水质监测目标包括pH值、水温、浊度、余氯、温度、溶解氧、总有机碳、化学需氧量、氨氮、总磷、电导率。

随着我国在核心技术领域的不断突破和完善，高端处理芯片、高端传感器网络已取得可喜进展，为开展水质监测提供了有力保证。随着5G技术的推广与应用，越来越多的具有自主知识产权的水质监测设备不断涌现，为水质监测提供实时保证和技术支撑。

2.1.2 数据传输层（数据传送）

传输层把实时采集的信息进行传输和互联，在水环境监测应用中，其作用是把环境信息快速、可靠、安全地进行传送；由于水质监测系统监测地域广，采集点多，采集区域情况复杂，故系统综合采用卫星网络、互联网、5G网络、WiFi网络构建多位一体的综合网络体系。采用适宜高效的网络管理方式对网络资源进行调配、管理与维护，以保证监测数据的实时传输与快速处理；在水环境监控系统中，传输层用于连通各关键节点，为采集的水环境水资源数据快速处理提供可靠保证。

2.1.3 应用管理层（数据分析及预警分级）

水环境物联网应用管理层主要包含基础应用采纳推送和数据分析报送功能。基础应用采纳推送提供水环境物联网信息底层感知、信息数据采集、归类及推送功能，通过云计算技术、数据挖掘技术、数据可视化技术对信息数据进行分类、存储、分析及推送；数据分析报送通过已建立的水环境水资源分析预警模型对数据进行分析处理，并对数据进行预警分级，根据预警级别推送改进措施和建议。

2.2 基于物联网的水环境监测系统关键技术

2.2.1 水生态环境感知技术

水生态环境感知技术是从各种复杂传感器网络中获得数据。感知层是由多种以传感器为核心的监控仪器和传感设备构建而成。目前广泛应用的为物理传感器和生物传感器。物理传感器通过光、电交互的方式实现，无需加入任何试剂，耗时较短。生物传感器则通过直接收集被测物体与生物之间交互作用而生成的反应信号来进行针对性监测，因而其具有高敏感性，但其稳定性差、成本高，制约了此类传感器的发展。

水生态环境感知技术主要由网络结构、网络节点、网络协议以及网络定位组成。

无线传感网络结构分别由承担不同功能的传感器节点、汇聚节点、任务管理节点组成。无线传感网络结构如图2所示。

传感器节点在感知技术中承担着最基本、最重要的功能，传感器节点型号不同，功能则不同，但均可监测区域相关信息，并借助网络节点实现数据传送，从而实现感知层最为基本的功能。传感器节点监测的各类数据信息，通过汇聚节点与任务管理节点进行信息收集与统计处理。

无线传感器网络节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电力供给模块构成，以实现信息的采集处理和运送传输，如图3所示。以上模块由多个发射装置组成，各发射装置功能不同，分别对应于内部数据的传递处理，外部数据的采集储存。传感器模块负责监测采集信息；处理器模块通过计算保证信息数据的传输过程稳定可靠；无线通信模块是系统的“命脉”，主要负责数据信息传输；电力供给模块确保系统安全稳定运行。

无线传感器网络协议是指传感器信息采集传输过程中采用的规则和标准。无线传感器网络定位用于定位传感器网络中传感器节点的位置，形成监测区域地图，以精确控制各传感器节点的各项功能。通过RSSI或者AO等算法对传感器进行定位的是网络节点测距法，择参照物作为坐标进行传感器节点确认的是参照物定位法，通过用已知节点不断发现新节点的是时间定位法。

2.2.2 自动在线监测技术

自动监测系统主要通过传感器设备采集水体的温度、pH值、浊度、含氧量等。通过北斗卫星定位GPS获得固定或移动监测点的确切位置，监测点自身具备4G网络传输模块，定时将采集的信息上传至各级数据采集中心，模仿客户端至服务器端的形式，由服务器端，即各级数据采集中心将所采数据信息按照设置好的数据模型进行梳理归纳，最终上传至总数据采集平台，由总数据采集平台进一步分析处理。在线监测技术系统构成如图4所示。

水生态系统的自动在线监测模式分为三种，分别是位置固定型、坐标浮动型和便捷移动型[3]。位置固定型监测通常是建立在固定水域中的固定监测点。此类传感仪器设备种类繁多，数据精度高，但因其设备占地面积大、安装施工及后期维护难度大费用高，不适于大面积安装，且易受气象条件的影响。坐标浮动型设备由传感浮标、传感元件、通信及供电设备、锚固定仪等组成，能够对水质进行快速、准确地监测，并能实时将各类监测数据有效回传，具有很好的抗干扰性。便捷移动型设备利用可移动的实时监控装置，对各种复杂情况下的水体进行实时有效地监测。该类型设备具有便捷灵活、设备可集成性强等优点，可实现对监测数据的实时传输及远程遥控管理。由于该模式具有规模小、投资少等实际优点，主要用于城市中的小型河流、景观河及一些有代表性的污染河流[3]。

2.2.3 数据传输技术

物联网传输层是将数据采集传感器的各类繁杂数据信息通过网络传输到数据处理中心，由数据处理中心进行下一步工作。传输方式主要分为有线传输和无线传输。有线传输技术已广泛应用于专用网络，通过光纤、以太网等有形介质来实现固定监测点监测仪器的数据传输和信息传递。由于传统的监控设备改造费用高，而移动数据的获取费用也在逐年下降，所以采用无线传输技术减少了工程建设的复杂性。无线网络传输模式分为无线局域网和无线广域网。无线局域网主要包括Bluetooth、WiFi等，无线广域网现主要采用4G及5G网络。在无线局域网中，WiFi是WLAN中最常用的通信手段，具有快速、短距离、低功耗等优点，与WiFi相比，Bluetooth技术功率低、成本低、延时短，便于管理数据，安全性相对较高，但存在传输距离短、数据传送速率低、不同设备间协议不兼容、需要本地数据记录的限制等缺点[1]。

2.2.4 基于云架构的环境监测数据存储与管理

环境监测数据具有海量、非线性、多尺度、高维等特点，对数据的存储、维护提出了巨大的挑战[4]。基于以上特点，拟利用云存储技术，结合开源的Hadoop分布式文件系统（HDFS），通过云计算构建分布式、集群化数据存储模型；并根据构建的评价模型对数据的实时调度速度的要求，采取数据预读取策略，以提高数据的读取效率。随着数据存储容量的增加，存储节点的数量和系统出现存储节点失效的概率也同步增加。因此，需要构建可伸缩、高性能、高可靠的存储结构，采用相应的数据冗余机制，确保物联网存储系统的高可用性。

2.2.5 环境监测物联网平台的优化组织、调度与维护

在基于物联网的环境监测系统中，感知传感设备仪器分门别类、节点散布星罗棋布、各节点实时状态及感知信息种类繁多且管理难度大，对网络中各节点产生的数据进行分析统计是此项目首要解决的问题。开发一个可视化、易于操作的监控管理平台，便于观察监测网络中各节点感知设备的活动状态，方便管理者及时发现网络节点中出现的问题，并反馈给领导层及故障解决团队，最终完成对监控监测网络各节点数据的图形显示、实时监测及报表汇总[5]。此外，环境监测感知平台还需具有对各节点感知设备及感知保姆设备的远程唤醒及操控、故障报警诊断、程序自动升级更新等功能，实现对终端节点的智能化管理。

物联网智慧监测关键技术主要研究工作包括：感知系统可视化管理平台开发，感知系统软件自主发布，验证感知平台在实际监测应用中的效果，进而对软件进行完善与优化等[5-6]。

3 水生态环境管理系统设计

3.1 实时监测和预警

以传感器、传输网络、应用终端为核心的物联网技术，可实现对各类流域水质的实时监控与预警。通过构建水质监测监控系统，既能满足大范围、低功耗要求，又能实时监控大流域水体水质[1， 7]。对偏远区域的水质数据进行自动管理，对提高水资源利用效率具有重要意义。本系统包括移动感知终端、传感网络、应用客户端等模块，可对中小水体的污染状况进行实时监控。以上海市金山区为例，科研人员利用新型浮筒作为载体，实现了对各大河流水质的实时监控。以太湖为例，科研人员针对其面积大、范围广的特点，开发出太湖蓝藻水华预警平台，在感知层采集的数据，经传输层、支撑层传输、处理后，可在应用层的可视化数据模块下载信息，通过物联网预警平台的集控中心进行数据分析后，结合气象、水文部门的预报，对未来3天蓝藻水华的平均预测精度超过85%[5， 8]。

3.2 治理效能管理

运用物联网技术进行水环境水资源治理，能够有效防范潜在的水环境风险，加强流域生态补偿，而这也是我省地表水污染防治工作的一项重要内容[9]。在水环境治理过程中，我省通过不同时期、不同河段的水质取样分析，初步建立了贾鲁河戴洼水域生态水环境网络管理系统的框架，并通过构建多个生态水环境物联网子系统，对各监测单元进行实时监测，及时发现污染隐患，通过对水资源管理中的风险进行有效控制，促使水环境管理、治理及监督单位积极参与[10]。在水生态治理过程中，运用物联网技术和云计算分析技术可以实现各类参数监测分析、预警分级模型智能建立、智能决策建议以及治理后追溯监督等功能[11]。

3.3 智慧监控服务系统

建立的水生态环境质量自动监测系统从功能上可分为智慧污水处理监控服务系统和水质监控服务系统两部分[12]。

3.3.1 智慧污水处理监控服务系统

该系统覆盖了物联网感知监测节点，节点包括生活用水节点、商业用水节点、重点排污企业节点，根据不同节点的用水排污特点，针对进水、处理、排放的全过程，采用多样化、针对性的数据采集手段，实时感知过程参数[13]。根据各节点的用水量，污水排放情况，采用不同的物联网感知系统策略，以科学分类按量排污为目标，以合理按量用水为约束条件，以“试点先行”为原则，联合水务调控为手段，观察各节点的全流程水资源监测及排污监控，最终实现水环境水资源的智慧化管理。

针对重点排污企业，安装基于物联网技术的排污监测装置，该装置能够实时监测企业的排污量，如果超过排污指标，物联网监测预警系统通过网络通信技术向环保管理部门发出信息提醒，管理部门警示企业，并可远程关闭排放口阀门，企业将无法继续排污。以此控制排污企业的排污总量，杜绝超量、超标进水，确保不超处理负荷，降低运行成本。

3.3.2 水质监控服务系统

通过应用实时状态感知和高可靠信息传输技术对水体水资源进行监测，通过布局全方位物联网水质监测感知元网络，搭建智慧监测和信息处理平台，向政府、环保部门提供水环境污染预测、预警、决策和应急联动的信息，建设集各水体水质监测预警中心、污染源监控中心、水质优化方案决策系统及环境数据中心的水环境水资源监测监控于一体的管理系统[14-15]。

通过利用现代物联网及通信技术，实现一体化环境监测，对各水体水源的感知系统进行信息接收、记录，通过汇总、分析、数据报表等方式提供统计分析功能，为政府部门掌握信息、环保部门决策管理提供数据基础。

4 水生态环境物联网智慧监测技术的发展前景

在感知技术中，前端感知装置是进行水环境监控的基础和数据来源，是整个系统的关键，感知终端的准确性将对系统的整体性能产生重要的影响。国内仪器的精度与关键技术的开发还需要进一步提高、加强。另外，随着“三水统筹”方案的具体实施，藻类浮游生物在线监测等水生状态感知装置也将成为研究和应用的重要趋势[8]。

高效融合物联网技术的水生态环境监测系统，在水生态水环境中的应用得到了迅速发展。此技术能够完成数据实时高效和全景全面的传输，保证数据准确传递，并实现了对数据的精确分析与智能处理，保障了水环境监测监控的广泛性和实时性。

5 结 语

随着水生态环境精确感知、多源异构数据与设备融合、高速通信等科学技术的不断创新发展，基于监测物联网技术的水生态环境在要素全面感知、数据高效处理、业务智慧应用等方面的综合效能将会进一步推进和发展。基于物联网监控系统的高度智能化发展，进而完善数字化和智慧化的水生态水环境监测体系，实现“空天地”一体化远程监测与智能预警预测，从而为水生态水环境的治理提供更广泛、更多样的区域化监测和监控手段。

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