基于物联网的丹江口库区水质自动监测系统

刘晓娟 ，莫晓聪 ，陈小平 ，游 松

（1.武汉长江科创科技发展有限公司，湖北 武汉 430015；2.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430015）

0 引言

为完善水环境质量自动监测网络，及时掌握丹江口库区水环境质量动态，按照实时监测、数据共享的原则，以确保丹江口库区监测数据质量为核心，建立健全丹江口库区水环境质量监测体系[1]。同时随着计算机、通信和电子控制等技术的高速发展，针对丹江口库区水质自动监测站点较多、水质监测频率增高及信息采集日益多样化，为满足对信息采集的广覆盖、低功耗的技术需求，基于新的物联网技术进行信息采集传输显得尤为重要[2]。

通过物联网技术的应用，从空间和时间建立水质在线监测体系，实现多层次的数据通信，提升系统运行维护能力。而过去只是单纯监测水质，在数据使用和应用处理上严重缺乏。整个系统的实施将提高管理层快速响应和应急处理水质异常的能力。

1 系统结构组成

丹江口库区水质自动监测系统是由南水北调中线水源有限责任公司监控中心（以下简称水源公司监控中心）和水质自动监测站（以下简称水站）共同组成，是丹江口库区水质自动监测系统运行维护项目信息管理系统的重要组成部分。水源公司监控通过互联网，利用 VPN 通信方式（虚拟专用网络），实现对各水站的实时监视、远程控制、数据采集和传输。其他经授权的终端也可以使用同样的方式实现对相关水站的实时监视和数据传输功能。水质自动监测站通常由监测站房，以及采水、配水、预处理、辅助、分析、控制和数据采集与传输等单元组成[3]，主要完成监测水样采集、预处理、配水清洗及站房安全等工作。系统结构如图 1 所示。

采水单元由采水构筑物、采水泵（根据实际情况选择潜水泵或自吸泵）、防堵塞装置、采水管路、保温配套装置（根据气候条件配置）、清洗配套装置、采水管道反冲洗装置及自动采样设备组成。配水单元的功能是向自动监测仪器供水，其水压和水量应满足自动监测仪器的需要[4]。在保证水样代表性的前提下，预处理单元对水样进行一系列处理消除干扰自动监测仪器的因素，以保证分析系统的连续长时间可靠运行，不采用拦截式过滤装置。预处理单元应尽可能满足标准分析方法中对样品的要求，可在不违背标准分析方法的情况下根据不同仪器采取恰当的预处理方式（如沉淀、过滤、均化等）。辅助单元是系统和仪器稳定运行的相关辅助设施，提高了监测系统的稳定运行保障，主要包括电源、视频监控、废液处置、试剂存储、留样单元、安防等部分。

图 1 丹江口库区水质自动监测系统结构图

分析单元是水质自动监测系统的核心部分，也是水质自动监测站的重要组成部分。它由监测传感器、在线监测仪器和标准通信控制等组成，在线监测参数项目一般为 pH、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮、叶绿素 a、藻密度，特殊站点可根据实际情况所需增配。

控制单元由水站控制软件、工业控制计算机、PLC 控制器、VPN（虚拟网络）和通信网络等组成。主要包括中央控制、通信控制、控制输出、数据采集和存储等单元，还包括继电器组、参数和状态显示和监控单元、UPS 供电单元、环境数据传感器（电压、室温、湿度）、安全监视等其它部分。其主要功能是根据预先设定的程序或远程水源公司监控中心上位机的命令对采水、配水、预处理、分析、留样、辅助等单元进行控制，给仪器发送各种命令，接收仪器测试结果和状态，存储并通过通信网络上报监测数据到水源公司监控中心。丹江口库区水质自动监测系统逻辑结构如图 2 所示。

2 水质自动监测系统

2.1 采水单元

采水单元的设置应因地制宜，针对不同情况采用最适用的采水方式，确保采集到的断面水样具有代表性，同时保证水样在传输管路中不发生物理、化学性质的变化。

1）采水单元由采水构筑物、采水泵（根据实际情况选择潜水泵或自吸泵）、防堵塞装置、采水管路、保温配套装置（根据气候条件配置）、清洗配套装置、采水管道反冲洗装置及自动采样设备组成。

2）采水单元需要充分考虑水位落差对采水的影响，避免将采水口设置在死水区，采水装置应能够随水位的变化而变化，保证采水头的进水孔位于水表面以下 0.5～1.0 m 的位置，并与水体底部有足够的距离（枯水期大于 1.0 m），确保不受水体底部泥沙的影响。采水头四周安装隔离栅阻挡水面漂浮物，且采水头用不锈钢材质以有效抑制藻类滋生、孳生。

3）采水单元可采用双泵双管路设计，实现一备一用功能，保证采水单元的可靠性，满足实时不间断监测要求，具有采水故障自动诊断并自动切换备用采水泵功能。

图 2 系统逻辑结构图

4）采水管道应具备防冻与保温功能，采水管道配置防冻保温装置，以减少环境温度等因素对水样的影响。

5）采水管道材质应有足够的强度，可以承受内压，且使用年限长、性能可靠，具有极好的化学稳定性，不与水样中被测物产生物理或化学反应，避免污染水样。

6）采水管道应具有防意外堵塞和方便泥沙沉积后的清洗功能，管路可拆洗，并装有活接头，易于拆卸和清洗。

7）采水管道应有除藻和反清洗设备，可以通入清洗水进行自动反冲洗。通过自动阀门切换可以将清洗水和高压振荡空气送至采样头，消除采样头单向输水运行形成的淤积，以防藻类生长、聚集和泥沙沉积。

2.2 配水及预处理单元

配水单元的功能是为自动监测仪器供水，其水压和水量应满足自动监测仪器的需要。在保证水样代表性的前提下，预处理单元对水样进行一系列处理以消除干扰自动监测仪器的因素，以保证分析系统的连续长时间可靠运行，不采用拦截式过滤装置。

预处理单元应尽可能满足标准分析方法中对样品的要求，在不违背标准分析方法的情况下根据不同仪器采取恰当的预处理方式（如沉淀、过滤、均化等）。

1）管材机械强度及化学稳定性好，使用寿命长，便于安装维护，不会对水样水质造成影响。管路内径、压力、提水流量、流速满足仪器分析需要，并留有余量。

2）配水管路设计合理，流向清晰，便于维护。保证仪器分析测试的水质应能代表断面水质情况并满足仪器测试需求。

3）除水质五参数分析仪器使用源水，直接分析外，分析仪器根据不同预处理方式取水，保证仪器工作时互相不影响。

4）配水单元能够自动清洗管路，防止菌类和藻类等微生物对样品水的污染或对系统工作造成不良影响，设计中不使用对环境产生污染的清洗方法。

5）具备设备扩展功能，条件具备的水站预留不少于 2 台设备的接水口、排水口及水样比对实验用的手动取水口。

6）能配合实现水样自动分配、自动预处理、故障自动报警、远程查看电磁阀等各部件工作状态和反控等功能。

7）具备反清（吹）洗功能。预处理单元的运行及定时反清（吹）洗由控制系统控制（采水管路禁止安装单向阀，以确保反清（吹）洗功能正常运行），其状态可以在监控中心平台的控制屏幕中显示，并可通过命令进行控制。

8）五参数检测池、预处理装置和配水单元等均具有自动清洗功能。

9）当系统断电时，预处理单元可以根据控制系统的控制定时自动启动。

10）配水单元的所有操作都能够通过控制单元进行单步和整体控制，并且可以进行远程控制[4]。

11）配水单元的流量和压力的确定基本原则应符合以下要求：a.根据所选用分析仪器对水样流量和压力的具体要求进行调配；b.在配样主管管路上进行压力的监控，通过装备压力调节阀调节配样管路流量和压力。

2.3 系统控制单元

控制单元由水站控制软件、工业控制计算机、PLC 控制器、VPN（虚拟网络）和通信网络等组成，能自动采集模拟和 Modbus 数据信号。其中，PLC 控制器主要负责根据预设程序控制采水、配水及辅助等单元的工作。工业控制计算机是水站控制软件的载体，提供各种通信接口与各设备连接，采用主流配置，确保操作系统和水站控制软件的流畅稳定运行。水站控制软件是整个控制系统的核心，可以直观地显示各种设备的工作状态和监测结果，给仪器发送各种指令，对监测结果进行运算和存储，并将数据上传到指定的水质自动监测数据平台。通信网络通常以光纤等有线网络优先传输，如果现场不具备有线传输条件的，则可通过无线网络传输（固定 IP 优先），无线传输应通过现场通信设备进行测试以择优选择[5]。

控制单元具有断电保护功能，能够在断电时保存系统参数和历史数据，在来电时自动恢复系统；具备参数设置功能，能够对小数位、单位、仪器测定上下限、报警（超标）上下限等参数进行设置；具备自动采集数据功能，包括自动采集水质自动分析仪器、集成控制数据等，采集的数据应自动添加数据标识，异常监测数据能自动识别，并主动上传至中心平台；具备单点控制功能，能够对单一控制点（阀、泵等）进行调试；具备对自动分析仪器的启停、校时、校准、质控测试等控制功能；具备对留样单元的留样、排样的控制功能；能够兼容视频监控设备并能实现对视频设备校时、重新启动、参数设置、软件升级、远程维护等功能；具备各仪器监测结果、状态参数、运行流程、报警信息等显示的功能；具有监测数据查询、导出、自动备份功能，可分类查询水质周期、质控数据（空白测试、标样核查、加标回收率等数据）及其对应的仪器、系统日志流程信息。丹江口库区水质自动监测站现场控制系统架构如图 3 所示。

同时随着社会的发展和水质监测的需要，要求水站更加智能化。智能化是在常规水站的基础上，选择智能仪器设备，合理部署操作流程监控智能传感器，并结合智能化工控及数据采集、处理和传输设备，通过一套科学、合理、先进、完整的系统集成，使得控制系统智能化、标准化、流程化和可溯源的质量控制体系，确保采水、预处理、分析、质控、清洗，以及数据采集和传输等环节的准确可靠。实现水质自动监测运行、维护和管理全过程的自动化，人性化与信息化。

1）系统控制及软件设计遵循智能化设计原则，充分结合仪表设备运行监控的要求，以实现水站系统运行管理的自动化、人性化。

2）通过建立一套科学和合理的系统反控、系统状态（运行模式、运行状态、故障状态）及数据标识的标准集，实现水站管理信息化。

3）系统标准、先进、完整，可实现统一对水质自动监测系统的全面反控，包括系统状态、参数设置，以及仪器、设备等反控，实现水站运行监测及维护的智能化。

图 3 丹江口库区水质自动监测站现场控制系统架构图

2.4 数据采集与传输单元

水质自动在线监测系统可以分为 3 个层次：工控机（水站）、传输网络和上位机（数据平台）。水站现场控制单元，监控的仪器仪表具有数字输出接口，连接到独立的数据采集传输仪上，上位机（数据平台）通过传输网络与水站现场控制单元进行通信（包括发起、数据交换、应答等）。水质自动监测站现场控制系统结构如图 4 所示。

1）数据采集传输仪。通过通信协议，采集各种类型分析仪器、仪表的数据，完成数据存储及与上位机进行数据传输通信。它们可能是单片机、工控机、嵌入式计算机、可编程自动化控制器（PLC）或可编程控制器。

2）数据采集与传输。要求能够按照分析周期自动执行，并实行远程控制、自动加密与备份。采集装置按照国家标准采用统一的通信协议，以有线或无线的方式实现数据及主要状态参数的传输。

3）数据平台。数据平台是集数据与状态采集、处理和各类报表生成于一体的操作系统，具备现场数据与状态参数的采集、现场系统及仪表的有条件反控、数据分析与管理、报表生成与上报、报警等功能。数据平台软件采用安全、稳定的数据传输方式，具有定期自动备份、自动分类报警和远控等功能，并具有可扩展性。

数据采集服务器通过 RS-485 与现场的嵌入式 PLC 进行通信，数据采集和传输单元配备高性能工作站，用于现场监测数据采集和传输，数据采集与传输按照分析周期执行，每周期采集 1 组数据，包括系统运行状态、监测结果、监测仪器状态、监测仪器关键参数、校准记录、现场环境状态、UPS 报警状态、阀门状态、系统工作状态等，所有采集到的数据都保存在现场服务器内，并可根据数据传输软件设置，与存储的判断变量进行比较，以显示、调整及控制系统的工作状态，最后将全部或选定的数据传输到数据平台系统。

数据采集和传输单元满足以下功能：

1）能实现与现有数据平台系统无缝衔接，数据采集和传输能自动记录，工作可靠有效。

图 4 水质自动监测站现场控制系统结构图

2）可在现场及远程进行人工参与控制。现场可动态显示系统的实时状态、各单元设备工作状态、各测量参数数据。数据采集与传输应完整、准确、可靠，采集值与测量值误差小于等于 1 %。

3）数据采集装置采用统一指定通信协议，以无线、有线方式进行传输各测量参数，同时双向传输，并能进行权限设置。

4）水站断电后数据不应丢失，并能存储 1 a 以上各测量参数的原始数据。

5）具有数据加密等系统安全防护功能。

观察组采用早期微创颅内血肿清除术：通过头颅CT确定穿刺点、穿刺方法及穿刺深度，患者局部麻醉之后以血肿中心作为靶点，在电钻驱动下将穿刺针穿透颅骨及硬脑膜，然后使用内置硬导丝、带刻度的引流管穿刺至血肿腔，并将硬导丝拔出，引流血肿腔内液态部分，在无液态流出后使用生理盐水冲洗，取30 000 U尿激酶注入血肿腔内，夹闭3 h然后持续引流。术后每日CT检查颅内情况，可反复注入同剂量尿激酶，在血肿清除90%以上时治疗完成。

3 数据与管理平台

3.1 自动监测站系统数据平台

数据平台布置在水源公司监控中心，该数据平台系统功能能够将自动数据采集、数据有效性分析、监测控制、有效数据入库、日常维护、数据管理、数据报表、信息发布、数据上报、统计分析、短信报警、图文显示等功能整合到一个软件中，界面美观，操作方便[6]。

数据平台的选择具有可扩展性。开放式、可扩展的软件架构设计，可灵活定制开发各种通信协议，系统以方便的客户端浏览构架，实现信息管理，满足多种浏览方式，可以实现本机、客户端浏览器等多种方式查询。数据传输可靠安全，对各种数据的分析、监控、浏览方便，操作简单。软件具有丰富的数据处理及查询功能，通过数据加标识等方式，对监测数据进行识别。

采用专用网络或虚拟专用网络（VPN）数据接收方式，可同时自动接收各水站上传的数据和状态信息，并将数据解析后存入数据库中。可主动采集实时、历史数据，同时可远程控制设备，可改变设备量程、参数等，支持无线及有线多种通信、协议方式，可实现远程同步多点数据采集。

数据平台系统能实现对系统环境、仪器状态参数的自动采集，并对仪器故障、质控数据、无效数据进行自动标识和处理。可根据用户需要设置状态参数或故障报警信号自动对数据的有效性进行判断，判断水质类别、首要污染物、污染指数和各项目的超标情况，根据用户要求进行数据处理，可以进行不同时段的数据对比等，将报警信息以多种形式发送至指定人员终端。

现场采用双系统非硬盘备份，能将数据库定期自动备份，当数据库损坏时，可由用户设置自动恢复，同时用户能选择时间段备份监测数据，当需要时可以由用户进行数据库恢复，可以将水站备份的数据恢复到数据传输系统。

支持远程图像监控及录像，可采集站房安防监控系统报警信息及现场图片资料，可自动记录备份并形成报表，当安防监控系统有异常报警信息时，以多种形式将报警信息传送至指定人员终端。

3.2 水质监测管理平台

管理平台部署于水源公司监控中心网络内，通过标准通信协议接收水质自动监测数据，对海量分析数据处理并应用。

水质自动监测网的网络层次结构主要分为 3 个层次：水质监测管理平台、网络传输层和水质自动监测站。其中水质监测管理平台部署于水源公司监控中心，服务器间通过局域网通信，与自动监测站通过 VPN 专网进行通信；网络传输层在水源公司监控中心和水质自动监测站之间，通过经过数据加密的 VPN 专网进行数据传输，以保障数据安全。数据传输应同时支持有线、无线等网络技术。管理平台基于标准通信协议，与水质自动监测站进行通信，实现数据接收和监测设备的远程反控。

水质监测管理平台包括 3 个方面：数据处理、管理和应用。通过水质自动监测数据采集、智能数据审核、数据报告和发布等功能，为管理决策提供支持。运用大数据技术保证平台运行稳定、高效，以及监测数据的真、准、全；能够支撑上千个水质自动监测站的同步接入；可在大数据量、大访问量情况下保证系统运行和访问效率；并且做到数据不缺失、延迟。在管理平台设计中，需运用数据加密、访问控制等技术确保平台信息，数据传输和移动终端安全性。管理平台具体功能如下：

1）双向通信。水质监测管理平台通过标准数据传输通信协议与水质自动监测站现场数据采集传输与控制单元进行双向通信，实现水站现场数据上报和对水站监测设备反向控制的功能。

各水站能够主动向管理平台传输数据，平台也可发送远程控制命令向各水站调取数据。数据包括：水质监测、设备状态、系统和设备报警、设备内部参数、视频监控等。所采集原始数据应保存在平台服务器，具有可追溯性、不可抵赖性等特性。

管理平台需具有数据回补功能，在网络状态异常等导致数据未及时上报的情况下，在网络恢复后平台需能够接收回补数据。管理平台具有对水质自动站监测设备进行远程控制的功能，具有向水质自动监测设备发送远程控制指令，远程控制水质自动监测设备执行相关操作。管理平台设定并支持自动巡检计划，自动读取指定监测设备信息，在发现设备异常时进行报警。可以实现对各站点上传数据的统计分析，对未上传数据的站点实施自动调取站点日志信息，有助于人工巡检的故障判断处理。管理平台可以远程设定作业，对监测设备自动进行标准样品核查和加标回收测试等操作。

2）智能化运维管理中心。对水质自动监测站的整体运维工作进行管理。管理平台需对所有操作实行实名认证，确保运维信息可靠可信，符合水源公司监控中心对运维管理的相关规定。

运维单位还可以通过管理平台进行远程检查，查看数据和现场情况，运维人员及水站水源公司监控中心可以通过平台掌握各水质自动站运行状态和运维单位工作情况。管理平台能够对水质自动监测站的运维管理工作进行全方位留痕记录，并提供相应数据支持。

3）运行情况监控。管理平台可以全面展示水质自动监测网整体运行情况，包括水质自动站仪器和系统运行状态 2 个部分。管理平台具有运行统计数据的功能，包括监测站点在线率、数据获取率、数据质控合格率、设备在线情况、数据异常情况等统计数据。管理平台在发现网络、设备运行异常等情况下，能够向相关运维单位发送短信通知。

4）运维过程管理。管理平台具有水质自动监测站运行维护的全过程存储管理功能，包括运维的计划填报、任务分配、人员轨迹和现场操作记录、人员离场确认等功能。

平台能够通过现场操作记录、运维操作照片与视频记录、运维记录与监测设备状态及数据的比对等方式，确认运维人员操作正确，并通过对运维数据的统计产生运维绩效评价、报表等信息，以图形、列表等形式展现运维人员运维的站点数量及日常工作完成情况。

4 结语

基于物联网的水环境在线监测系统逐渐成为新的水环境监测技术热点，丹江口库区水质自动监测系统是基于物联网技术监测水环境的工程实现，通过水质仪器、传感器、嵌入式系统实现水质数据的实时监测。该系统的实施实现了监测站无人值守，确保了数据共享的及时性，为水利优化调度和工程综合效益的合理利用提供了参考。此外，针对丹江口库区水生态环境改善的需要，系统中也初步考虑将监测数据与水文水资源、气象监测及空间数据相结合，形成科学的决策参考信息，但目前尚处于探索阶段，因此，面向水质监测目标有待进一步研究和开发。