常耀輝，馬天宇

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基于物聯(lián)網(wǎng)的自來水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

常耀輝，馬天宇

（揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

如今在智能科技快速發(fā)展背景下，互聯(lián)網(wǎng)+的理念已經(jīng)深入到了我國的各行各業(yè)，并成為國家發(fā)展的重要方向，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是其中的關(guān)鍵所在。將物聯(lián)網(wǎng)與城市自來水安全監(jiān)測聯(lián)系起來，在監(jiān)測自來水中pH值、色度、渾濁度等常規(guī)參數(shù)的同時，還增加了對COD的監(jiān)測，并通過監(jiān)測自來水管網(wǎng)中的水壓來保障管網(wǎng)的安全。采集到的所有數(shù)據(jù)最后將上傳至云數(shù)據(jù)庫，并通過云計算，對所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合，最后形成詳盡的數(shù)據(jù)模型并傳入終端與各個有關(guān)政府部門和企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分享，人們也能通過手機(jī)客戶端查看部分水質(zhì)實時數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)；自來水；水質(zhì)監(jiān)測；管網(wǎng)壓力

水、空氣、食物是人類生命和健康的三大要素。自來水是城鄉(xiāng)居民的主要供水方式，自來水水質(zhì)直接關(guān)系著居民的人生安全和身體健康。我國在2007-07-01，正式實施《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)提出了106個水質(zhì)指標(biāo)（42項常規(guī)指標(biāo)、64項非常規(guī)指標(biāo)）。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了自來水公司要對出廠水和管網(wǎng)水定時進(jìn)行檢測，市疾控中心對居民家中龍頭水進(jìn)行抽樣檢測。粗略計算，對1個水質(zhì)指標(biāo)檢測1次，平均需要200元左右，106個水質(zhì)指標(biāo)都檢測1次，需要2萬多元，這樣的價格對一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水公司來說是不可企及的。

以上海這樣的特大城市為例，自來水公司每年對4項非常規(guī)指標(biāo)檢測2次，對42項常規(guī)指標(biāo)檢測每月1次。每月只檢測2次7項指標(biāo)，對管網(wǎng)水檢測采取抽樣的方法，不能確保每個居民小區(qū)的管道水達(dá)標(biāo)。實際上，即使自來水在出廠時是達(dá)標(biāo)的，但在管道輸送過程中還會受到新的污染，比如鐵銹、細(xì)菌、氯等，會對人體產(chǎn)生不小的危害。以往的檢測，大多都是在現(xiàn)場采集水樣，送到化驗室檢測，這不僅耗費(fèi)了大量的時間和經(jīng)費(fèi)，還不能及時、準(zhǔn)確地反映自來水水質(zhì)。而隨著人們生活水平的提高，對自來水質(zhì)量越來越關(guān)心，對水質(zhì)量監(jiān)測的透明化需求也有所提高。在智能網(wǎng)絡(luò)時代下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助解決了在線自來水監(jiān)測這個難題，將物聯(lián)網(wǎng)與城市自來水監(jiān)測相結(jié)合，形成完整的城市自來水系統(tǒng)，對自來水的水質(zhì)、自來水管網(wǎng)的安全進(jìn)行全面的監(jiān)測，將其與互聯(lián)網(wǎng)連接后，通過云計算將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)分享到云端平臺，可供部門、企業(yè)和個人監(jiān)督。因此，研究一種性能高、成本低、易維護(hù)，適合在中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的自來水廠、居民小區(qū)推廣的自來水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)最早由比爾·蓋茨在《未來之路》中提出，早期含義是把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)相連。我國2010年在《政府工作報告》中將物聯(lián)網(wǎng)注釋為“物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]”。其實物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用就是將傳統(tǒng)的電子設(shè)備和計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成信息和數(shù)據(jù)的信號交流，把我們身邊各個具體的物體相互連接起來，讓它們相互之間交流和通信的技術(shù)，并對物體實現(xiàn)智能化控制、管理和跟蹤的智能網(wǎng)絡(luò)。要通過建立一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來實現(xiàn)對城市自來水系統(tǒng)的全面監(jiān)測，需要將監(jiān)測設(shè)備分布在各個用水的重要節(jié)點上，監(jiān)測系統(tǒng)將自動對自來水管網(wǎng)中的各個水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并對管網(wǎng)中水壓進(jìn)行實時監(jiān)測，在水質(zhì)受到污染或管網(wǎng)受到損壞后，將自動報警[4]。

2 對系統(tǒng)的研究和設(shè)計

自來水水質(zhì)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的基本框架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要為水質(zhì)監(jiān)測裝置采樣節(jié)點的感知，它主要包括對水質(zhì)和水壓的監(jiān)測傳感器、各種數(shù)據(jù)分析器、顯示儀表等，傳感器主要采用pH傳感器、余氯傳感器、光學(xué)傳感器、壓力傳感器等。網(wǎng)絡(luò)層是無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要是將感知層所采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后通過無線傳送裝置，最后上傳至云服務(wù)器中。應(yīng)用層是云計算技術(shù)和信息數(shù)據(jù)庫，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層將傳感器所監(jiān)測的信息上傳至服務(wù)器后，這些數(shù)據(jù)會通過云計算將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，在數(shù)據(jù)異常時做出報警提示，并及時給出合理的解決方案，再保存至大數(shù)據(jù)庫中。

2.1 自來水水質(zhì)監(jiān)測

要確保自來水水質(zhì)的安全，需要將水質(zhì)監(jiān)測傳感系統(tǒng)安裝在自來水管網(wǎng)的重要部位，因為自來水已經(jīng)通過自來水廠的精致凈化，所以水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)更專注于對管道的二次污染和化學(xué)物質(zhì)殘留問題進(jìn)行監(jiān)測，通過傳感器將水質(zhì)中的pH值、色度、渾濁度、COD等各項數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。色度與濁度將通過光學(xué)傳感器，根據(jù)紅、綠、藍(lán)三種波長不同的光源的散射光強(qiáng)度來分析。而pH值與余氯的數(shù)值將通過傳感器將水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并最終通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。為了更好、更快地收集和處理數(shù)據(jù)，實時的信息數(shù)據(jù)都會通過無線傳輸模塊，上傳至云服務(wù)器中。

2.2 自來水管網(wǎng)壓力監(jiān)測

通過大量的理論分析和實際現(xiàn)場采集的大量數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)自來水管網(wǎng)在正常輸送的情況下，管內(nèi)自來水水壓為一個較為穩(wěn)定的數(shù)值。而在管網(wǎng)發(fā)生破裂后，水壓則會迅速下降，下降的程度與管道的破裂程度有直接的關(guān)系。因此可以通過對自來水管網(wǎng)水壓實時監(jiān)測，并設(shè)置一個水壓限度和變化率的報警信號來及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)的異常。低功率的設(shè)備運(yùn)行也將會是壓力監(jiān)測系統(tǒng)的一大特點，其工作狀態(tài)可以分為休眠狀態(tài)、采集狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)3個狀態(tài)，在休眠與采集狀態(tài)下的設(shè)備將處于超低工作電流狀態(tài)，以此來大大降低系統(tǒng)的功耗。

2.3 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在各個傳感器將水質(zhì)和水壓的數(shù)據(jù)采集后需要及時上傳至云服務(wù)器中，無線傳輸裝置在其中起著至關(guān)重要的作用。如今智能傳輸技術(shù)的發(fā)展，也使得我們的無線傳輸裝置有了更好的技術(shù)支撐和發(fā)展前景。

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是在裝置可接收范圍內(nèi)，以一定的算法高效地監(jiān)測范圍內(nèi)的節(jié)點，并優(yōu)化現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，在使用期間最大程度地利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，高效地傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)，大大降低功耗，提高利用率。在裝置不同分布和要求的情況下，規(guī)劃范圍內(nèi)節(jié)點的具體數(shù)目及放置位置，在達(dá)到一定要求的情況下，盡量減少對網(wǎng)絡(luò)使用的消耗[1]。

2.4 云計算與手機(jī)客戶端設(shè)計

在對自來水管網(wǎng)中水質(zhì)和水壓進(jìn)行監(jiān)測的過程中，會產(chǎn)生大量的實時數(shù)據(jù)，而且必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理、分析，才能及時監(jiān)測管網(wǎng)中的水質(zhì)和水壓問題，并提出具體改善意見。與此同時，建設(shè)、完善城市自來水管網(wǎng)信息的大數(shù)據(jù)庫，對水廠和管網(wǎng)等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，存儲數(shù)據(jù)資料，將水廠、加壓站、自來水管網(wǎng)中的水質(zhì)與水壓和數(shù)據(jù)庫用戶的各種數(shù)據(jù)整合起來，以便于分析和管理。而通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)所得到的水質(zhì)信息，將通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并利用互聯(lián)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)實時上傳到大數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)都會以共享信息的方式，再經(jīng)過云計算技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)處理和分析，形成完整、詳盡的水務(wù)信息，最后分享給各個企業(yè)、自來水廠、政府有關(guān)部門等，而移動客戶端的手機(jī)用戶也可以在通過身份驗證后，對實時相關(guān)的水質(zhì)信息進(jìn)行查詢[2]。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將無線傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、云計算等技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了對城市自來水管網(wǎng)中色度、渾濁度、COD的智能監(jiān)測，并將所監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳以保證監(jiān)測效果，而對管網(wǎng)中水壓的監(jiān)測是對管網(wǎng)破裂、漏水進(jìn)行有效監(jiān)測，并形成實時預(yù)警。對水質(zhì)和水壓的數(shù)據(jù)監(jiān)測會大幅度減少人工監(jiān)測，檢查的時間與成本更易建設(shè)城市管網(wǎng)監(jiān)測大數(shù)據(jù)庫，形成全市、全省甚至全國自來水管網(wǎng)的統(tǒng)一智能化管理。因此，該系統(tǒng)有廣泛的實用價值和推廣價值。

［1］武延坤，陳益清，雷萍.水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)有問題分析及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架［J］.中國給水排水，2012（22）：9-13.

［2］李杰鴻.水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)有問題分析及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架探討［J］.化工設(shè)計通訊，2017，43（3）：45.

［3］李軍會.物聯(lián)網(wǎng)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用淺析［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2015（7）：107.

［4］朱小紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.黑龍江科技信息，2014（21）：136.

2095－6835（2018）20－0079－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.079

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕