基于物联网技术的智慧排水在线监测系统研究

刘甲军 郑春来 张卫见 管恩升

（山东正元地球物理信息技术有限公司，山东济南 250014）

1 基于物联网技术的智慧排水在线监测系统

基于物联网的智慧排水在线监测系统如图1所示。

图1 基于物联网的智慧排水在线监测系统

物联网的核心内容为互联网，在此基础上可完成后续工作，用户端得到了大幅度扩展，可在人、物体间进行信息传输与交换，具有定位、监控、管理等多项功能。从通信对象与通信过程角度进行分析，物联网的本质是将人、物之间的信息交换作为核心。

1.1 整体感知

物联网中配备的智能传感器、二维码等设备可便捷获取物体的信息，并进行整体感知。本系统终端传感器采用多普勒流量计，测量种类包括流速、水深、水温等，流速范围为0.05～5.00 m/s（最小水深为15 cm）；流速测量的分辨率约为1 mm/s；水深测量分辨率为1 mm；工作电压为DC12 V。通信采用MODBUS协议，通信接口为RS485，通过DTU连接到云端服务器进行数据交互。

1.2 智能处理

物联网中应用了各项智能技术构建处理中心，可对获取的庞大信息数据进行分类、整合、分析处理，具有较高的自动化与智能化特征，对人力资源数量需求较低，对人才质量要求较高，管理人员必须具备较为深厚的信息技术理论基础知识、较强的操作能力，才能完成对物联网系统的操控与管理。

1.3 可靠传输

智慧排水在线监测系统对信息进行感知与识别，对事物自身属性或状态的转变与变化方式、变化规律等进行收集，通过监测系统对信息进行分析、提炼与加工，充分利用已感知和获得的基础信息，推断更深层问题，产生、捕捉新的信息，并以此为依据完成决策制定，为人类生活与工作提供有力依据。

本系统采用数据传输终端为DTU，采用2G/3G（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、EVDO）网络透传；支持ZETA低功耗网络；支持MODBUS协议，兼容各种设备；EMC国际认证；-35 ℃抗严寒，75 ℃耐高温；CPU工业级32位通信处理器；5～36 V超宽电压；5路I/O接口；支持远程管理；FLASH 512KB（可扩展至64 MB）。

SRAM 256 KB对所得信息与结论等进行发送、传输与接收，将信息从一个空间点、时间点传输到另一个空间点、时间点，在此过程中，可保持信息数据不受损、不丢失、不遗漏，进而完成通信。

2 基于物联网技术智慧排水在线监测系统的功能

我国部分城市中主城区管网系统使用的GIS管理模式可满足城市排水系统的基本需求，实现较有效的排水管道管理，但其细节问题有待提升，如不具备业务分析功能，缺少较强的设备管理功能，管理系统存在许多空白，需要进行填补。进入21世纪后，随着我国工业的飞速发展与城镇化进程的推进，城市中产生的污水大幅度增加，对排水管道覆盖率的需求不断提升，现代化排水系统须具备更强的排水能力、污水处理能力。

我国部分城市中排水系统使用早期敷设的管道，易出现管道老化、破裂和淤堵等问题，过流能力在短时间内急剧下降，无法正常使用。对土地资源的开发与利用使排污量迅速增加，地区的实际排水量已超出规划，对排水系统造成较大压力。为了改变现状，满足社会发展需求，必须依托物联网技术，构建完善的智慧排水在线监测系统，准确全面反映排水情况，对各处设备与管道进行有效监管与调整，并系统指导系统的维修养护与运转。

我国部分典型城市在污水泵站运行过程中，存在两方面问题。

（1）过于分散、不成体系的管理模式，导致排水管无法连接成为一个整体，在不同区域发挥作用，无法从整体角度进行宏观调度。

（2）城市中部分低洼地区在降雨量较大时会出现溢流现象，引发城市内涝，目前系统无法根据实时监测数据进行预警。构建智慧排水系统，可对系统的相关数据进行采集与分析，构建完善、庞大的数据库，通过动态模拟分析功能对排水管网的安全运行进行管理以及智能化监控调度，及时预警，正确应对和处理紧急情况。

排水系统中污水集中汇流处水量的突变点或降雨径流的突然增加，可反映承压情况和内涝风险，水位监测可反映枯水期管网的正常运行、雨天污水、内涝突发的特殊状态。河流附近的截污干管存在渗漏和回流的风险，突水和回流稀释了污水的水质浓度，可通过水位监测或水质监测，预测渗漏风险，立交桥、凹涵、低洼路段易发生内涝风险。通过水位监测和气象数据的实时动态计算，可提前进行涝灾风险预警预报。分支或大型合流排污口的进入，河流的关键断面存在水量和水质突然变化的风险，可设置水量水质监测点，实时计算和控制河流中污染物的变化。

3 基于物联网技术的智慧排水在线监测系统的基本构架

软件架构如图2所示，硬件架构如图3所示。

图2 软件架构

图3 硬件架构

3.1 传感器

超声波多普勒流速仪在管道、渠道或河流内测量水的流速的设备，主要应用于洪涝灾害监测、污水排放、天然的河溪、市政给排水、水量流失渗入监测、灌溉流程监测、暗渠流程监测、道路排水监测、运河流程研究、江河流程监测等工作中。

传感器安装底座固定前，应在传感器上方包裹2 mm以上厚度的橡胶套，可使用汽车内胎代替橡胶套，传感器与金属的卡箍、安装底座之间采用橡胶套隔开。传感器的出线必须采用PVC、PE、PR、镀锌管等进行保护，避免水流长期冲击造成电缆开裂、脱出等情况发生，防止被异物碰撞后划伤或割破。在保护管的保护下，线缆沿着渠道底部或渠道内壁由传感器下游方向引出水面。传感器背后出线位置，由于其长期处于水中，会被水流冲击，需要对保护管进行妥善固定，并给予保护措施。

线缆直接被水流冲击，会造成断线、电缆外皮被磨烂等情况。传感器自带的一段通信电缆线内有通气导管，不可将其弯折超过80°，当通信电缆线引出水面后，可接入普通的电缆线。此时应使通气导管开口方向朝下，防止水及异物进入通气管或堵塞通气管。连接传感器的电缆为RS485线缆或DC12 V线缆，RS485和12 VDC的线缆必须分开使用两根2芯屏蔽电缆进行连接。

3.2 采集器

采集器连接传感器，并对传感器数据进行初步处理采集，通过RS485通信接口对传感器进行数据采集，采集当前蓄电池的电量、环境温度、开关信号、模拟量信号等参数，对采集的数据进行整理、分析、编辑、加工后，由4G通信模块（DTU）传输到服务器。

采集器具有远程控制功能，为防止传感器因环境因素造成死机现象，可实现远程重启传感器或定时重启传感器，以保证数据的准确性、可靠性。

3.3 通信模块

通信模块多使用于采集器和服务器之间，负责将采集器采集的各类传感器的数据与服务器进行数据交互，后台服务器将数据进行加工、分析、编辑、存储。通信模块可根据应用场景、应用情况进行灵活选择。

3.4 接电

根据环境供电情况进行供电选择，包括市电、太阳能供电、蓄电池供电等。考虑到供电稳定与安全，配漏电保护开关与电源稳压模块，太阳能供电应配套相应的线路、蓄电池、充电模块。

供电只可使用电池供电、太阳能供电，使用AC220 V电源进行市电供电时，需要使用线性电源转化为DC12 V直流电，不可使用开关电源。在此过程中，应注意不要人为拉扯及甩动电缆、不撞击传感器壳体、不可将连接电缆作为承重线用于连接电缆悬挂重物。电缆须固定在渠道的水泥壁上，需要延长电缆时，应保证导气电缆不进水、不折弯、不堵塞，并考虑天气湿度等情况。DC12 V供电电缆可以延长至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽电缆；RS485输出的电缆可延长至200 m，使用0.75 mm2的2芯屏蔽电缆。

4 物联网技术智慧排水在线监测系统的挑战与技术问题

4.1 物联网技术的智慧排水在线监测系统的面临的挑战

在线监测设备的使用直接影响智能化排水系统感知层的有效性，影响实时调度决策。

（1）污水腐蚀。

设备一般置于排水管道中，需要与城市污水直接接触，工业和生活污水均含有大量腐蚀性物质，会对金属外壳等造成损伤，缩短设备使用寿命。

（2）水量不稳定。

排水管网中的不确定性因素较多，排水系统水量和水质并不固定，会在短时间内发生较大改变。

（3）杂质沉积。

城市污水包括工业、农业、生活污水等多种类型，成分复杂，包含大量不可溶物质，会在排水管道底部沉积，影响传感器灵敏度、有效性。

（4）通信难度大。

排水系统需要覆盖整座城市，范围较广，构建相应的通信设施难度较高，需要将无线技术与有线技术进行有机结合。

（5）视频不清晰。

视频监控设备主要应用各类摄像头，以往使用的监控摄像头清晰度较低，捕获的监控画面十分模糊，高清和超高清摄像头可拍摄到清晰画面，但其视频画面需要占据大量储存空间。受限于以往的4G网络，传输视频速度较低，无法进行实时传输，进而无法实现实时监控，像素较高的摄像头无法用于构建智慧排水系统。此外，以往的摄像头一般使用抓拍，非动态录像，监控效果不佳，可能会遗漏细节。

物联网是一种新兴技术，其安全问题存在较大隐患，由于其必须通过互联网完成数据传输与交换，在构建智慧排水在线监测系统时，须注意网络安全问题，防止来自外部的恶意攻击与内部的错误操作，导致数据泄露。可为监测系统安装防火墙，其具备完善的防护功能，可对多种类型的网络入侵进行检测，如木马和网络蠕虫攻击。防火墙具备反端口扫描，可精准判定服务工具，将对系统具有威胁的因素阻拦在外，禁止其访问，抵挡外部攻击。

除此之外，其可自主对物联网运算中心的服务器运行过程产生与传输的信息进行收集记录，记录上网路径和网络使用情况，提高管理效率，保障系统的安全。应对监控系统的访问权限进行严格管理，避免非法破坏和窃取行为，使用还原系统和数据储存功能，可提高容错性，避免工作人员的错误操作导致系统错误、数据损失。

4.2 物联网技术智慧排水在线监测系统需突破的技术问题

应在现有基础上对在线监测设备进行升级与优化，提高设备的抗腐蚀性、抗渗性等，对其进行有效保护，提高设备的灵敏度、耐久度、准确性、稳定性。视频监控设备方面，需引入5G技术，有效提高网络传输速率，将千万像素的超高清摄像头安装在关键节点，获得清晰画面，并始终保持录制状态，进行不间断拍摄，提高监控效果。

5 结语

基于物联网技术的智慧排水在线监测系统，需要对城市所有的排水系统进行管理，形成统一整体，须构建标准化体系，采用统一的指令与标准，各项参数的显示方式、各类成分的安全浓度等均应通过严格的讨论，再进行决策，将相关参数录入系统中，作为运行依据，确保物联网中所有服务器均采用同一套运行指标。软硬件更换、升级或业务流程、数据等发生变动时，应先确保系统的统一性，再进行整体层面的调度与更改。