基于物联网技术的地表水质监测预警系统设计

（交通运输部环境保护中心，北京100013）

基于物联网技术的地表水质监测预警系统设计

张 静，皇甫玮喆

（交通运输部环境保护中心，北京100013）

基于物联网的数据感知、数据传输和数据处理的标准体系架构，通过采用即插即用的智能化高性能传感器、多种无线通信协议接入方式、海量数据处理技术，建立河流湖泊水质监测和预警系统。实验证明，该系统可实现对水质的智能化监测和预警，有效提升了水质监测的质量和效率。

水质监测；物联网；预警系统

1 引言

水质监测是对水中的悬浮物、化学物质、水生态系统和底泥定时或者不定时进行统一的检验和测量。当前，全球都面临着水资源的短缺问题和水资源严重污染的严峻问题，我国也不例外。我国的长江、洪泽湖等重点河流湖泊都存在不同程度的污染，且有着愈演愈烈的趋势，严重威胁周边居民的生活和身体健康[1～3]。为遏制这种状况的持续发展，我国从20世纪90年代就开展了大规模的水质监测。但从总体上看，存在监控设施不足、覆盖率低、环境综合信息管理能力薄弱、联测联报的技术协调以及监测数据即时处理能力不足等问题，难以应对可能出现的各种灾难性水环境突发污染事故[4～6]。

当前，很多科研机构都在积极设计自动化监测系统，徐亚峰、马悦、杨渭等人设计了基于Zigbee和GPRS技术的水质检测系统，结合无线传感网和互联网技术，改善了人工检测和有线采样的不足，但是对于大面积水域，无线检测系统存在设备布点增加、设备成本提高以及网络传输等问题[7～9]。本文在吸收国内部分学者设计经验的基础上，提出通过基于物联网技术的河湖流域水环境数据采集、传输和处理技术，全面提升流域水环境监控预警能力和综合管理技术水平。

2 整体设计

重要河湖流域水质量监测预警系统按照逻辑层次划分为接入层、应用层、业务支撑平台、服务层、数据层、基础服务层，平台整体采用SOA的设计思想，有效控制系统中与软件代理交互的人为依赖性，实现各逻辑层次或逻辑模块的重用和共享。系统结构图如图1所示。

图1 河湖流域水质量监测预警系统结构图

2.1 接入层

接入层为用户和管理人员提供统一的信息访问平台，以综合知识门户、互联网、智能手机、电话、传真、数据交换等方式利用系统提供的功能，如监测数据信息的上传、预警应急信息的发布、安全管理、文档信息发布等。其中门户作为平台的主要接入方式，提供一个应用服务集成框架，将各种核心业务系统、水环境数据资源和互联网资源集成在一个统一的展示平台之上，可以按照业务的要求自由组合和调整所需服务。

2.2 应用层

应用层利用业务支撑平台提供各种通用的服务，如GIS、虚拟现实、工作流、数值模拟等，构建具有伸缩性、易扩展性、可维护性、面向全流域综合管理的水质量监测预警的核心业务系统，包括数据接收系统、水环境污染源管理系统、水环境质量管理系统、水环境预警系统、综合信息服务系统、流域水生态监测网络系统及水质响应模型软件系统等。

2.3业务支撑平台

应用支撑平台应用层提供所需的各种通用服务，如GIS服务、虚拟现实、工作流、数值模型、信息交换服务，事务处理服务和流程控制服务等。它能有效简化各核心业务系统的设计和实现，并以服务的方式支撑流域污染源监控、水环境趋势分析、水环境相关数据的发布和共享、预警监控和控制决策等功能。

2.4服务层

服务层基于目前先进的面向服务体系（SOA），采用符合SOA标准的服务总线技术，通过契约的形式将服务消费者和服务提供者连接起来。将水环境管理核心业务转化成可通过标准方式访问的独立服务，业务可以彼此独立调整，更迅速、更可靠、更具伸缩性地架构整个系统，能够更加从容地面对业务变化，并为现有的资源带来更好的重用性。

2.5数据层

数据层作为平台的数据中心，提供系统管理、空间信息管理、共享交换、历史数据迁移、数据适配、数据认证、数据整合、数据同步、数据共享等服务，完成对基础地理信息数据库、水环境专题数据库和风险源、水文、气象、社会经济、法律法规、植被生态、应急响应、专家、模型、决策支持等基础数据库的管理和维护。

2.6基础服务层

基础服务层包括基础支撑环境和流域水质响应模型，其中基础支撑环境保证平台建设过程及平台最终运行所需的各种软硬件及相应的运行环境，包括智能感知终端、数据采集和数据传输等。流域水质响应模型的管理和运行为平台中水环境评价、风险评估、水环境预警提供辅助决策数据，并与GIS服务结合实现水环境的各种动态模拟。

3 数据采集系统

3.1 传感器智能化与即插即用

对重要河湖流域目前的水质自动监测站点、污染源在线监测站点、现场人工监测以及实验室监测分析中使用的传感器特征进行归类调查分析，尤其针对COD、氨氮等多种物理量采集传感器的分析，据此采用智能化的水环境监测传感器，具备通用接口和即插即用功能，实现传感器采集数据的自校准、自补偿。水环境感知体系示意图如图2所示。

图2 水环境感知体系示意图

3.2 传感器适配器技术

鉴于水环境监测涉及的采集参数众多、传感器类型以及接口多样化，对于典型的、广泛使用的、不具备通用智能化接口的传感器，采用统一的传感器适配器技术。通过为传感器安装传感器适配器，使其具备智能化与即插即用功能，并能与水环境感知终端设备无缝连接，达到快速部署、维修方便、故障易排查的目的。

3.3 水环境感知终端设备技术及标准

采用感知终端设备面向传感器的通用接口，布置适合重要河湖流域水环境空间跨度大、野外条件复杂同时适合水生态系统监测的感知终端设备，形成技术先进、信息完整、高可靠的水环境感知终端，形成水环境数据采集相关的物联网技术标准。

3.4 流域水环境感知终端设备管理技术

结合对重要河湖流域水环境感知终端设备的管理需求，尤其是高可用、高安全需求，通过重要河湖的水质量监测预警系统中的中心数据接收系统，对重要河湖流域水环境物联网感知终端设备进行配置管理、安全管理、软件升级以及故障管理。其中，配置管理提供对感知终端进行远程配置的能力；安全管理实现终端接入密钥和通信密钥的存储和分发；软件升级支持对感知终端设备进行嵌入式软件的在线升级能力；通过中心数据接收系统发起状态监测，及感知终端设备主动自检并上报状态两种方式，实现对感知设备故障的有效管理。

4 数据传输和处理系统

4.1 面向水环境监测的物联网无线机器通信协议

物联网无线机器通信协议支持 GPRS、TD-SCDMA等多种接入方式，通过在水环境感知终端设备内部嵌入通信模块，为水环境监测提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求，实现水环境感知设备与后台业务系统之间安全可靠的通信与管理功能。在数据交互过程中，协议支持同步和异步模式、通信过程中的异常处理与重发机制、长连接和短连接方式。

4.2 多元融合数据采集技术

针对水环境数据来源的多样性，采用多元融合水环境数据采集技术，实现水环境自动监测数据、手工监测数据、卫星、无人机等遥感监测数据、多媒体监测数据、业务数据、管理数据等的自动采集、汇总，实现数据一致性、有效性审核，然后通过多元融合数据传输与交换技术，实现数据从源到数据中心的高效迁移，最终实现数据的集成及历史数据的处理。

4.3 数据的采集与存储加密技术

针对重要河湖流域水环境多元数据采集的位置分散、不易管理等特点，避免数据泄漏和数据伪造的发生，分析流域内自然环境数据、区位数据、社会经济数据等多元数据安全管理技术，采用多元数据的不对称加密方法，建立重要河湖流域水环境数据安全技术体系，保证水环境的多元数据在采集与存储过程中的安全性、可靠性、完整性与不可篡改性，为水环境管理系统提供有力的数据支撑。

4.4 网络传输安全技术

针对重要河湖流域水环境传输网络的复杂多样性，采用无线传输网络安全接入技术、TD-SCDMA、GPRS等公共通信网络VPN组网技术、基于SIM卡的安全接入机制以及应用鉴权和基于对称与非对称加密的数据通信能力、水环境多元数据安全传输协议的设计与实现、网络设备与系统的入侵检测与防御技术研究、水环境应用处理系统应用防火墙技术研究，确保多元数据在传输途径上不被截获与篡改，保证水环境平台服务的高可用性。

4.5 基于CA的身份认证技术

采用基于CA的身份认证的重要河湖流域水环境监测数据安全管理技术，通过在省级环保部门部署CA根证书服务器，在市、县涉水环保部门部署从属证书服务器，构成证书安全链，实现重要河湖流域水环境监测数据的访问审计、资源使用权限配置等功能，保证多数据源、多层级、多部门间的水环境多元数据信息交换时的网络安全。

无线传感器网络通讯模块射频电路原理图见图3。

图3 无线传感器网络通讯模块射频电路原理图

5 数据中心和预警系统

5.1 流域水环境风险评估与预警系统

对重要河湖流域主要国控、省控污染点源、非点源的综合毒害性和生态风险进行综合评价，并按综合毒性与风险大小排序，识别出流域水环境优控污染源和污染物，建立流域风险源数据库。建立风险评估模型，评估风险源对周围水质的影响。开展流域水环境潜在影响及危害模拟，模拟不同条件下污染源对流域统一地区、不同水功能区的水质影响范围。建立预警模型，结合重要河湖流域突发性水环境事故的理化性质、事故现场的环境信息、地理信息、社会经济信息，根据预警模型计算结果，初步确定预警等级，并模拟不同条件下污染源对流域统一地区不同区段的影响范围。

5.2 流域水环境综合信息服务系统

提供如用户身份认证、访问控制等方面的服务，实现平台中各系统的分布式管理和分布式应用。提供对重要河湖流域的水质量监测预警系统信息的检索功能，包括对平台中各系统的相关信息进行检索。提供对重要河湖流域水环境信息的公告及对重要河湖流域的水质量监测预警系统信息的展示。提供系统管理（后台管理）功能，主要用于系统用户管理、系统维护及数据库维护等。

5.3 流域水环境模型软件系统

基于重要河湖流域的区域性规律和污染物分布特征，建立流域水环境质量评价模型；考虑重要流域的自然环境、社会经济活动和水质监测控断面位置等因素，按水环境污染发生类型，结合水环境质量响应模型，分别建立重要河湖流域突发型水环境污染风险模型和累积型水环境污染风险模型，分段模拟流域水质，确定模型参数。

5.4 流域水污染物总量监控网络系统

流域水污染物总量监控系统利用先进的实时动态监控体系对流域水环境变化进行动态监控，完成对重要河湖流域污染源信息的监控管理、入河口污染物的总量核算、水污染物总量核算以及对面源污染进行模型模拟，以实现对重要河湖流域水污染物总量进行动态有效的监控管理。

5.5 流域水生态监测网络系统

流域水生态监测网络系统基于车载监测技术、地理信息系统技术、无线传输网络技术，构架于网络环境之上，把对重要河湖流域相关水生态信息进行研究和分析的成果数据及其模型进行发布，以供相关用户及其部门进行动态监控与查询。流域水生态监测网络系统完成对水质例行监测、水质自动监测、水生态监测与健康评价及车载水生态监测的管理，形成统一、标准的水生态监测网络平台，实现对水生态监测的信息化管理。

6 应用试验

6.1 监测布点

为便于结果对比，试验选择在我国北方某流域地区。通过对阜新市监测项目进行研究，根据SL395-2007《地表水资源质量评价技术规程》，确定监测方案中的监测项目，河流地表水水质评价标准应按照GB3838-2002《地面水环境质量标准》进行评价。

6.2 结果对比

试验结果表明，与传统监测手段相比，基于物联网技术的智能监测系统的效果非常明显。一是由于采用数据实时传输，获得数据的时间比传统方法减少了近80%，几乎在第一时间就能得到水质的状况；二是由于采用后台大数据处理技术，对比分析和预警时间比传统方法减少约50%；三是由于系统可在较短时间内集中全流域的实时数据，联测联报能力得到有效提升；四是根据估算，考虑系统的维护管理等各种因素，成本上也将降低30%～50%。

7 结束语

基于物联网技术的河流湖泊水质监测预警系统，能够对不同流域水环境风险进行评估与预警，解决水环境预警和风险评估的关键问题，实现流域水环境质量的改善、水生态系统的恢复以及海洋水环境的改善，提高流域的水环境管理能力，起到保护环境、优化经济的作用，为流域人民的生活和健康提供水环境保障。

[1]吕清，顾俊强，徐诗琴，等.水纹预警溯源技术在地表水水质监测的应用[J].中国环境监测，2015(1).

[2]莫莉，陈丽华.地表水水质监测指标体系现状综述[J].南昌工程学院学报，2014(4).

[3]周寒，闫春楠，彭博，等.红外测油仪在地表水水质监测中的应用分析及探讨[J].黑龙江水利科技，2014(7).

[4]陆璐.地表水水质监测指标体系现状综述和总结[J].河南水利与南水北调，2015(19).

[5]王博.刍议如何提高地表水水质监测质量[J].科技创新与应用，2015(16).

[6]黄卫.江苏省水环境监测体系和水环境状况分析[J].江苏环境科技，2013（4）.

[7]徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等．基于Zigbee和GPRS的远程水质监测系统的设计与实现 [J].江苏农业科学，2013，41（3）：328-331.

[8]马锐，陈光建，贾金玲，等.基于Zigbee和GPRS的多参数水质监测系统设计 [J].自动化与仪表，2014，29（10）：33-36.

[9]杨渭，孔祥洪，钱卫国，等.基于溶氧和酸碱度的水质检测机器鱼设计[J].渔业现代化，2014，41（1）：10-14.

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Design and Application of System of Surface Water Quality Monitoring and Warning based on Internet of Things

ZHANG Jing,HUANGFU Weizhe
（Center for Environmental Protection of Ministry of Communication,Beijing 100013,China）

Based on the standard data sensing,communication and processing of architecture of Internet of things,the technologies of plug and play smart sensor,multiple communication modes and big data processing were adopted.The system of surface water monitoring and warning was established.The test showed that the system couldrealize surface water monitoringandwarning,andalsopromote qualityandefficiency.

water quality monitoring;internet of things;warning system

TP274.5

A

1681-1070（2016）12-0044-04

张 静（1982—），女，河北柏乡县人，硕士研究生，工程师，主要从事交通环保方面的研究工作。

2016-8-15