譚云月

摘 要：隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，水環(huán)境的污染也變得越發(fā)嚴(yán)重，影響了人們的生產(chǎn)生活。綠水青山就是金山銀山，近年來隨著以河長(zhǎng)制為代表的一系列水環(huán)境管理制度政策和措施出臺(tái)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣，使得水環(huán)境的質(zhì)量有了大幅改善。為了能夠?qū)λh(huán)境，尤其是河流水質(zhì)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握水質(zhì)信息，更好地提供決策信息，在此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT協(xié)議完成云平臺(tái)和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信，終端節(jié)點(diǎn)包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元，云平臺(tái)包括設(shè)備管理平臺(tái)和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);嵌入式技術(shù);河流監(jiān)測(cè);云平臺(tái);MQTT;LTE/GPRS

中圖分類號(hào)：TP393;TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）09-00-02

0 引 言

水生態(tài)文明建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，水環(huán)境的污染變得越發(fā)嚴(yán)重，影響了人們的生產(chǎn)生活。綠水青山就是金山銀山，近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來完善水環(huán)境的治理和監(jiān)測(cè)效果顯著，意義重大。

目前，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為水環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理新的發(fā)展方向，在此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT協(xié)議完成云平臺(tái)和終端節(jié)點(diǎn)間的通信。終端節(jié)點(diǎn)包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元;云平臺(tái)包括設(shè)備管理平臺(tái)和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)相互配合，可以完成對(duì)水質(zhì)信息采集、傳輸、分析和展示全流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并依靠云平臺(tái)的設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)所有終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程管理，提高管理效率和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，有效應(yīng)對(duì)和防止突發(fā)性水環(huán)境污染事故，為水環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供便利[1-3]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、傳感器等技術(shù)，通過對(duì)河流水質(zhì)信息和河流視頻信息的實(shí)時(shí)采集上傳，能夠在云端時(shí)刻掌握河流水質(zhì)等情況，為有關(guān)部門的決策部署提供參考和幫助，對(duì)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理降本增效提供有力支撐。河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體分為兩大部分，即云平臺(tái)和終端節(jié)點(diǎn)，其中終端節(jié)點(diǎn)包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元、電源單元等;河流監(jiān)測(cè)云平臺(tái)由設(shè)備管理平臺(tái)和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，其中設(shè)備管理平臺(tái)包括設(shè)備接入、設(shè)備狀態(tài)查詢、命令收發(fā)、運(yùn)行與命令日志查詢、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能等，河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有設(shè)備監(jiān)控、人員管理、基礎(chǔ)管理、報(bào)表管理、系統(tǒng)管理、大屏展示等功能[4]。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

終端節(jié)點(diǎn)通過控制單元完成所有的操作任務(wù)，按照云平臺(tái)設(shè)置的工作模式，通過采水配水單元河水進(jìn)入節(jié)點(diǎn)水槽，然后利用水質(zhì)傳感器采集水質(zhì)信息，攝像頭實(shí)時(shí)拍攝河流畫面，通過通信模塊，利用LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，電源模塊用以保障整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。

河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，云平臺(tái)具備設(shè)備監(jiān)控功能，可對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)控，在發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)上報(bào)故障信息，終端采集的水質(zhì)信息和河流實(shí)時(shí)畫面可通過平臺(tái)的大屏功能全面、真實(shí)地進(jìn)行展示[5-6]。

2 河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)作為河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，扮演著物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)中的感知層角色，負(fù)責(zé)采集前端信息，并執(zhí)行來自后端平臺(tái)的查詢或控制命令，終端節(jié)點(diǎn)包括控制單元、采水配水單元、傳感器單元、通信單元和電源單元等。

河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制單元采用可以運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的高性能核心板作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)各部分的控制，并將采集的數(shù)據(jù)通過通信單元上傳至云平臺(tái)，或接收并執(zhí)行來自云平臺(tái)的命令。控制單元具備多路網(wǎng)口，RS 485，RS 232，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的輸入輸出等接口若干，可以控制水質(zhì)傳感器、空氣溫濕度傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以及采水配水單元等設(shè)備。

采水配水單元包括采水設(shè)備、配水設(shè)備及輔助設(shè)備。采水設(shè)備的主要功能是根據(jù)控制單元的控制指令從河流抽取分析水質(zhì)所需的樣品水;配水單元的主要功能是對(duì)樣品水進(jìn)行處理，包括泥沙去除、在線過濾等操作，為傳感器單元提供滿足采樣要求的樣品水，除此之外還具備自動(dòng)清洗功能，可保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

傳感器單元主要包括五參數(shù)檢測(cè)傳感器、空氣溫濕度傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等。五參數(shù)檢測(cè)傳感器主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度，另外還可以根據(jù)實(shí)際要求檢測(cè)氨氮等指標(biāo);空氣溫濕度傳感器采集終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息;網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集終端節(jié)點(diǎn)的工作畫面和河道的監(jiān)控畫面。

通信單元以LTE/GPRS模組為核心進(jìn)行無線通信，也可根據(jù)需要換成光纖有線通信。電源單元包括外部電力供應(yīng)、太陽能電池供應(yīng)和UPS，可保證終端節(jié)點(diǎn)正常工作。

3 河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)設(shè)備管理、業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理工作，它由設(shè)備管理平臺(tái)和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)框架如圖3所示。

3.1 設(shè)備管理平臺(tái)

設(shè)備管理平臺(tái)具有設(shè)備接入、設(shè)備狀態(tài)查詢、命令收發(fā)、運(yùn)行與命令日志查詢、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能。

設(shè)備接入負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入，保證設(shè)備可在正?；蚍钦Ｇ闆r下連接平臺(tái)進(jìn)行通信交互，保證業(yè)務(wù)流程順利進(jìn)行。

設(shè)備狀態(tài)查詢功能包括查看設(shè)備鑒權(quán)信息、在線狀態(tài)、位置信息等。

命令收發(fā)功能的作用是對(duì)設(shè)備下發(fā)各類命令，并接收來自設(shè)備的回復(fù)。

運(yùn)行與命令日志查詢可以查詢?cè)O(shè)備的運(yùn)行日志和命令下發(fā)與接收的日志。

歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能用于查看設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。

3.2 河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)包括設(shè)備監(jiān)控、人員管理、基礎(chǔ)管理、報(bào)表管理、系統(tǒng)管理、大屏展示模塊。

設(shè)備監(jiān)控是針對(duì)設(shè)備管理平臺(tái)的設(shè)備狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，展示在用戶面前，查看設(shè)備是否運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)是否處于閾值區(qū)間，命令是否執(zhí)行等。

人員管理可以進(jìn)行各終端節(jié)點(diǎn)配屬的運(yùn)維人員信息的管理和查詢工作。

基礎(chǔ)管理包括設(shè)備檔案管理（設(shè)備檔案錄入管理及對(duì)客服信息、廠家信息、設(shè)備信息等的管理）、庫(kù)房備件管理等。

報(bào)表管理包括維修報(bào)表、巡檢報(bào)表、維保報(bào)表、故障報(bào)表、終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)報(bào)表、水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

系統(tǒng)管理包括用戶賬號(hào)管理、權(quán)限管理、短信報(bào)警管理等。

大屏展示功能以大屏幕配合GIS展示各終端節(jié)點(diǎn)及其采集的水質(zhì)信息的各項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于LTE/GPRS網(wǎng)絡(luò)并采用MQTT協(xié)議完成云平臺(tái)和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信，終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)相互配合，可以完成對(duì)水質(zhì)信息采集、傳輸、分析和展示全流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且依靠設(shè)備管理平臺(tái)可以對(duì)所有終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程管理，提高管理效率。未來終端節(jié)點(diǎn)還可以根據(jù)需要引入5G網(wǎng)絡(luò)，使其具備一定的可拓展性。該系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)階段河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求，更好地保護(hù)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)。

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