基于无人船的水环境监测物联网研究与设计

项慧慧，王吉祥，徐 森，孟海涛

(盐城工学院 信息工程学院 物联网工程系，江苏 盐城 224051)

0 引 言

生态环境保护是国家“十四五”规划中一项重要内容。作为生态环境保护的中心，水资源是人类生存和社会可持续发展的最重要的前提条件。随着中国城市化进程加快，城市规模越来越大，城市面临十分严峻的水资源短缺问题。但与此同时，水资源现状却不断恶化，由于工业废水、生活污水乱排放等导致的城市水污染事件频频发生，严重影响城市居民生活用水安全。因此，建立水环境监测网络，加强监测能力，提升水资源管理水平以维护水资源安全是一项亟待解决的生态环境保护问题。现有主要依靠人工检测或固定站点监测的水环境监测方法，检测周期长，时效性差，无法适应水污染事件应急处理需要，更无法做到预防水污染事件发生。

当前随着物联网技术与各行各业的深度融合，基于物联网技术的水环境实时在线监测系统建设已成为智慧城市建设的重点工作。朱慧博等设计了基于固定传感器监测点、WiFi通信技术和阿里云平台的水温、PH值参数管理系统。张娜等设计了基于GPRS通信技术和服务器模式的水质PH值固定监测系统。同时，利用无人船监测水环境的方法由于其灵活、安全、能代替人工完成危险或有毒水域的监测任务等优点，已经逐渐成为当前水环境监测的研究热点之一。Cao Huiru等设计了一种可以采集不同深度水质的无人船水质监测系统。Zhang Wei等设计了一种基于无人船和分簇网络结构的水质监测算法，以提高水质监测效率。王柏林等基于无人船和NB-IoT技术设计了一种采集PH值、溶解氧、水温的水质监测系统。张鑫业等基于无人船和4G通信技术设计了一种采集浊度、溶解氧、电解质的水质监测系统。蒋星宇基于GPRS通信技术和无人船设计了一种采集浊度、溶解氧、酸碱度、电解质、氨氮化含量的水质监测系统。借鉴已有的研究成果，为了进一步提高水质监测的实时性和准确性，设计了一套基于无人船和5G物联网技术的水环境监测系统。该系统能够实时监测水体的PH值、浊度、温度、视频等综合信息，通过5G物联网技术传输至基于阿里云平台搭建的水资源监测云平台，相关管理人员或管理部门可以通过Web端、手机APP等方式管理水环境信息。

1 系统总体方案

1.1 系统总体架构设计

基于无人船的水环境物联网监测系统总体架构如图1所示，主要包括感知与传输层、智能决策层和应用层三个层次，具体由固定水质监测节点及无人船监测、水环境监测云平台、远程监控中心、手机APP监测终端四部分组成。感知与传输层由固定监测节点、网关节点和移动监测节点组成。监测水域内分布有若干个固定监测节点，分别采集与之对应的局部水域的水质参数并传输至网关节点；网关节点主要负责各监测节点采集数据的汇总并传输至水环境监测云平台。为了弥补固定监测点监测方式不能适应应急监测需要的缺陷，该系统同时设计了基于无人船的移动监测节点，通过无人船船载水质监测节点采集水质参数，通过船载网关节点借助于5G物联网通信技术将水质数据传输至水环境监测云平台。为了更为全面地监测水质信息，在无人船监测节点上同时设计部署了船载摄像头采集水域环境视频。

图1 系统总体架构

智能决策层由水环境监测云平台构成，主要对采集的水质数据和视频进行存储、分析和管理，包括远程监控中心用于数据存储的水质数据库和用户数据库、水质超限预警功能，从而为用户的远程访问和移动访问奠定数据基础，提高服务器的运行平稳度和效率。

应用层主要实现监测系统与用户的交互工作，管理人员或工作人员可通过监测网站或移动终端APP查看各站点的实时水质数据、历史数据及水环境视频。此外，若水质数据超限，移动终端APP可向相关管理人员手机推送预警信息。

1.2 系统部署及运行流程

系统部署及运行流程如图2所示。待测水域部署有多个监测子网和无人船监测节点。固定和移动监测节点采集水质数据，由网关节点对这些数据进行汇总和封装，借助5G物联网技术通过AT指令将数据传输至水环境监测云平台。水环境监测云平台通过TCP/IP Socket通信读取水质数据，并对其进行解析和处理，丢弃不必要的信息，然后按照统一的数据格式将水质参数存入SQL数据库中。远程监控中心采用Java Web技术搭建的水环境监测网站，方便工作人员查看待测水域的水质情况。此外，工作人员还可通过手机APP查看水质情况。

图2 系统部署及运行流程

2 系统关键功能设计

2.1 无人船监测船系统设计

2.1.1 水质监测传感器节点设置

以当前研究成果中使用较多的PH值、浊度、水温等水质参数为测试对象，无人监测船通过无人船搭载PH值、浊度、水温监测传感器以及采集水域视频的摄像头，随着无人船在监测水域的移动实现对监测水域水质信息及水域环境视频信息的采集。无人监测船系统硬件设计如图3所示。

图3 无人监测船系统硬件设计

水质数据采集发送传感器节点以CC2530处理器为核心，水质数据经由CC2530集成的低功耗、低速率ZigBee射频模块发送给网关节点。网关节点以CC2530和WiFi通信模块ESP8266为核心，其中CC2530与水质数据采集传感器节点的CC2530实现ZigBee组网接收水质数据，ESP8266模块通过加入5G通信热点的形式接入5G网络转发水质数据。根据水域覆盖要求和无人船航速设置采集时间间隔Δ

t

(见公式1)，在无人船航行过程中，水质监测传感器每隔Δ

t

时间采集水质信息数据并传输至网关节点。

(1)

同时，在无人船航行过程中，通过无人船上搭载的摄像头采集720P 25fps高清水域视频，由船载视频采集模块进行H.264编码，然后通过5G通信模块发送至水环境监测云平台。

2.1.2 网关节点设计

网关节点的功能主要包括实现ZigBee通信技术到5G通信技术的转换及与水质监测云平台之间建立TCP/IP socket连接，主要由信号处理电路、ZigBee通信模块、WiFi通信模块及显示屏组成(如图3所示)。ZigBee通信模块接收水质监测传感器节点采集的水质数据，由微处理器给每一类水质数据封装上代表不同含义的头部(封装格式如表1所示)并以“ ”换行符为间隔组装，经由WiFi模块通过加入5G热点的形式，将数据通过 5G通信模块传输至水环境监测云平台。

表1 网关节点数据封装格式

2.2 水环境监测云平台

水环境监测云平台需要支撑基于TCP/IP socket网络通信功能、水质数据处理功能及Web网页数据显示功能，因此功能设计包括水质数据监测接口设计、服务器后台响应接口设计及与Web前端数据交互设计。

水质数据监测接口基于TCP/IP socket网络通信建立云平台与网关节点之间的通信连接，接收网关节点转发的水质数据，并存储至数据库中。设计方案如图4所示。水质监测接口主要通过Socket套接字监听组装后的水质数据，使用readline()方法读取网关节点转发的水质数据。水质监测接口读取数据后按照数据组装规则进行字符串拼接截取，并通过set方法将提取的数据赋值给JavaBean以便于结构化地存储到数据库中。

服务器后台响应接口设计的主要功能是处理前端页面用户发出的启动监测指令及显示实时水质数据、查看历史水质数据等请求，及时对Web页面及客户端请求做出响应处理。

图4 水质数据监测接口设计

2.3 远程监控终端设计

远程监控终端Web网页使用JSP页面模板引擎技术实现了实时水质数据、历史水质数据的可视化显示。点击Web界面的启动监听、实时数据显示、历史数据显示等功能按钮发起请求，然后通过web.xml配置中心查找相应的逻辑处理，将对应的请求交给相应的Servlet处理类。Service层根据调用的处理类进行业务逻辑处理，再通过Dao层与数据库进行数据交互，最后将处理结果返回至Web界面。总体设计方案如图5所示。

图5 Web网页端与云服务器端交互设计

2.4 水质监测手机APP设计

基于Android平台水质监测手机APP设计主要由HTTP协议与服务器端通信、对JSON数据流的解析及基于安卓原生控件的应用程序页面组织构建三部分组成。使用Android中的ViewPage+fragment控件对应用程序页面进行整体构建，通过WebView控件及HTTP协议与服务器端建立连接，在获取数据流后进行处理并通过adapter适配器最终显示在由LinerLayout构建的单个页面中。基本页面形式如图6所示。

2.4.1 水质实时监测数据管理设计方案

当用户点击进入水质实时监测页面，将通过HTTP协议与服务器端进行连接，并将获取的数据动态显示在页面上。当用户点击进入历史数据查询页面时，系统将获取的数据以列表的形式显示在历史数据查询页面，具体流程如图7所示。

图6 页面组织形式

图7 数据显示页面系统设计

2.4.2 地图显示设计方案

调用百度地图SDK，获取当前水域位置，通过MapView控件显示在手机页面上，流程如图8所示。通过访问百度地图服务和数据，构建功能丰富、交互性强的应用程序，从而更加清晰方便地展示目标位置的周边环境，更直观地反映水环境信息。

图8 百度地图定位流程

3 系统应用实例

系统测试及应用地点为校园内湖泊，在小范围水域内测试了系统功能，测试结果如图9所示。根据应用结果，该系统能通过远程控制无人船采集水域环境水质数据和环境视频并实时传输水环境监测云平台，管理部门可以在监控终端或手机APP上通过水质信息和视频全面监测水环境状况，有效保障居民生活饮用水安全。

(a)实时水质信息

(b)水域环境视频 图9 测试结果

4 系统特色及应用前景

该系统设计通过固定节点监测和移动无人船监测相结合的水环境监测方法，并在物联网云平台基础设施上构建了水环境监测云平台，最终完成基于5G物联网技术、物联网云平台和无人船的水环境监测系统研究与设计。该系统的主要特色有：

(a)该系统设计了包含固定节点监测和移动无人船监测的水质综合检测方法，除了可以采集《无人船船载水质监测系统》标准中规定的水质参数外，还设计了通过无人船船载摄像头采集水域环境图像及视频信息，相比于现有基于无人船的水质监测系统仅采集水质数据的方法，更能全面反映水环境状态。

(b)系统通过现场实时在线监测，配合信息化系统和应用终端，所设计系统结构及功能符合《无人船船载水质监测系统》标准。该系统设计有利于环保系统集成商或有关部门及时、准确地掌握水质信息，可为预警预报影响居民饮用水安全问题、监管污染物排放以及监督总量控制制度落实等提供帮助；也可以有效地结合当前国家大力推行的河湖长制度，明确环保责任。

(c)该系统设计了基于物联网云平台的水环境监测预警系统，可利用物联网云平台实现待测水域水质信息乃至全国范围内水质信息的互联互通，为后续水质评估工作构建统一数据平台提供理论和实践依据。

5 结束语

该系统利用无人船和5G物联网技术进行水质监测，能在不适宜人工作业的污染较重的恶劣水域进行检测水质，既可以有效减少人工作业量，提高作业效率，也可以降低作业风险，实现了水质监测系统的自动化、智能化和无人化，能够有效保障城市中小水域水环境安全。应用实例也证明了该方案的可行性与稳定性。由于无人船采用蓄电池供电限制了其作业范围，在后续开发中将考虑设计并开发太阳能电源控制模块，进一步扩大无人船监测范围，提高系统的可靠性。同时，后续工作中还需对城市内中小水域的应用环境进行实地测量和勘察，并完善无人船采水装置、传感器节点部署等设计，进一步增强系统的实用性。