基于物联网的自来水管网水质监测系统研究

常耀辉，马天宇



基于物联网的自来水管网水质监测系统研究

常耀辉，马天宇

（扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225127）

如今在智能科技快速发展背景下，互联网+的理念已经深入到了我国的各行各业，并成为国家发展的重要方向，物联网技术则是其中的关键所在。将物联网与城市自来水安全监测联系起来，在监测自来水中pH值、色度、浑浊度等常规参数的同时，还增加了对COD的监测，并通过监测自来水管网中的水压来保障管网的安全。采集到的所有数据最后将上传至云数据库，并通过云计算，对所收集数据进行分析、整合，最后形成详尽的数据模型并传入终端与各个有关政府部门和企业进行数据分享，人们也能通过手机客户端查看部分水质实时数据。

物联网；自来水；水质监测；管网压力

水、空气、食物是人类生命和健康的三大要素。自来水是城乡居民的主要供水方式，自来水水质直接关系着居民的人生安全和身体健康。我国在2007-07-01，正式实施《生活饮用水卫生标准》，标准提出了106个水质指标（42项常规指标、64项非常规指标）。标准规定了自来水公司要对出厂水和管网水定时进行检测，市疾控中心对居民家中龙头水进行抽样检测。粗略计算，对1个水质指标检测1次，平均需要200元左右，106个水质指标都检测1次，需要2万多元，这样的价格对一个乡镇自来水公司来说是不可企及的。

以上海这样的特大城市为例，自来水公司每年对4项非常规指标检测2次，对42项常规指标检测每月1次。每月只检测2次7项指标，对管网水检测采取抽样的方法，不能确保每个居民小区的管道水达标。实际上，即使自来水在出厂时是达标的，但在管道输送过程中还会受到新的污染，比如铁锈、细菌、氯等，会对人体产生不小的危害。以往的检测，大多都是在现场采集水样，送到化验室检测，这不仅耗费了大量的时间和经费，还不能及时、准确地反映自来水水质。而随着人们生活水平的提高，对自来水质量越来越关心，对水质量监测的透明化需求也有所提高。在智能网络时代下的物联网技术帮助解决了在线自来水监测这个难题，将物联网与城市自来水监测相结合，形成完整的城市自来水系统，对自来水的水质、自来水管网的安全进行全面的监测，将其与互联网连接后，通过云计算将所有的监测数据分享到云端平台，可供部门、企业和个人监督。因此，研究一种性能高、成本低、易维护，适合在中小城市和乡镇的自来水厂、居民小区推广的自来水水质监测系统迫在眉睫。

1 物联网技术概述

物联网最早由比尔·盖茨在《未来之路》中提出，早期含义是把所有物品与互联网相连。我国2010年在《政府工作报告》中将物联网注释为“物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]”。其实物联网的应用就是将传统的电子设备和计算机互联网相结合，形成信息和数据的信号交流，把我们身边各个具体的物体相互连接起来，让它们相互之间交流和通信的技术，并对物体实现智能化控制、管理和跟踪的智能网络。要通过建立一个物联网系统来实现对城市自来水系统的全面监测，需要将监测设备分布在各个用水的重要节点上，监测系统将自动对自来水管网中的各个水质数据进行实时监控，并对管网中水压进行实时监测，在水质受到污染或管网受到损坏后，将自动报警[4]。

2 对系统的研究和设计

自来水水质监测物联网的基本框架分为感知层、网络层和应用层。感知层主要为水质监测装置采样节点的感知，它主要包括对水质和水压的监测传感器、各种数据分析器、显示仪表等，传感器主要采用pH传感器、余氯传感器、光学传感器、压力传感器等。网络层是无线传输网络，主要是将感知层所采集的数据，进行处理后通过无线传送装置，最后上传至云服务器中。应用层是云计算技术和信息数据库，当网络层将传感器所监测的信息上传至服务器后，这些数据会通过云计算将数据进行处理、分析，在数据异常时做出报警提示，并及时给出合理的解决方案，再保存至大数据库中。

2.1 自来水水质监测

要确保自来水水质的安全，需要将水质监测传感系统安装在自来水管网的重要部位，因为自来水已经通过自来水厂的精致净化，所以水质监测系统更专注于对管道的二次污染和化学物质残留问题进行监测，通过传感器将水质中的pH值、色度、浑浊度、COD等各项数据进行监测。色度与浊度将通过光学传感器，根据红、绿、蓝三种波长不同的光源的散射光强度来分析。而pH值与余氯的数值将通过传感器将水质数据转换为电压信号，并最终通过A/D转换器转化为数字信号。为了更好、更快地收集和处理数据，实时的信息数据都会通过无线传输模块，上传至云服务器中。

2.2 自来水管网压力监测

通过大量的理论分析和实际现场采集的大量数据，我们不难发现自来水管网在正常输送的情况下，管内自来水水压为一个较为稳定的数值。而在管网发生破裂后，水压则会迅速下降，下降的程度与管道的破裂程度有直接的关系。因此可以通过对自来水管网水压实时监测，并设置一个水压限度和变化率的报警信号来及时发现管网的异常。低功率的设备运行也将会是压力监测系统的一大特点，其工作状态可以分为休眠状态、采集状态、发送状态3个状态，在休眠与采集状态下的设备将处于超低工作电流状态，以此来大大降低系统的功耗。

2.3 无线传输网络结构

在各个传感器将水质和水压的数据采集后需要及时上传至云服务器中，无线传输装置在其中起着至关重要的作用。如今智能传输技术的发展，也使得我们的无线传输装置有了更好的技术支撑和发展前景。

无线传输网络主要是在装置可接收范围内，以一定的算法高效地监测范围内的节点，并优化现有的网络资源，在使用期间最大程度地利用网络节点，高效地传输数据字节，大大降低功耗，提高利用率。在装置不同分布和要求的情况下，规划范围内节点的具体数目及放置位置，在达到一定要求的情况下，尽量减少对网络使用的消耗[1]。

2.4 云计算与手机客户端设计

在对自来水管网中水质和水压进行监测的过程中，会产生大量的实时数据，而且必须对这些数据进行及时处理、分析，才能及时监测管网中的水质和水压问题，并提出具体改善意见。与此同时，建设、完善城市自来水管网信息的大数据库，对水厂和管网等方面的数据进行收集，存储数据资料，将水厂、加压站、自来水管网中的水质与水压和数据库用户的各种数据整合起来，以便于分析和管理。而通过水质监测系统所得到的水质信息，将通过A/D转换器转化为数字信号，并利用互联网将这些数据实时上传到大数据库中。数据库中的所有数据都会以共享信息的方式，再经过云计算技术进行详细处理和分析，形成完整、详尽的水务信息，最后分享给各个企业、自来水厂、政府有关部门等，而移动客户端的手机用户也可以在通过身份验证后，对实时相关的水质信息进行查询[2]。

3 结论

本系统以物联网为基础，将无线传感技术、大数据分析、云计算等技术结合起来，实现了对城市自来水管网中色度、浑浊度、COD的智能监测，并将所监测数据实时上传以保证监测效果，而对管网中水压的监测是对管网破裂、漏水进行有效监测，并形成实时预警。对水质和水压的数据监测会大幅度减少人工监测，检查的时间与成本更易建设城市管网监测大数据库，形成全市、全省甚至全国自来水管网的统一智能化管理。因此，该系统有广泛的实用价值和推广价值。

［1］武延坤，陈益清，雷萍.水质监测技术现有问题分析及物联网应用框架［J］.中国给水排水，2012（22）：9-13.

［2］李杰鸿.水质监测技术现有问题分析及物联网应用框架探讨［J］.化工设计通讯，2017，43（3）：45.

［3］李军会.物联网在水质监测中的应用浅析［J］.资源节约与环保，2015（7）：107.

［4］朱小红.基于物联网的水质在线监测系统设计［J］.黑龙江科技信息，2014（21）：136.

2095－6835（2018）20－0079－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.079

〔编辑：严丽琴〕