基于物联网技术大东湖生态水网水质环境监测系统研究

基于物联网技术的大东湖生态水网水质环境监测系统的研究摘要：针对武汉大东湖水系六湖联通工程的实际需要，提出基于物联网技术应用于其水网水质环境检测系统的设计和监测点分布

的数学模型。重点设计出一种基于c/s模式，结合数据库，3g传输，rfid标示，vpn局域网等技术的水环境监测信息系统的物理构架和系统功能，并结合相关知识进行阐述。展现物联网技术应用于水环境监测的优越性。

关键字：物联网水质环境检测系统水质模型

1、绪言

1.1、研究背景及意义

近年来，大东湖水质状况不容乐观，除了严东湖水质为三类外，其余均为五类或劣五类。国家经过严密论证，决定进行大东湖综合整治，并拟用十二年的时间来完成“武汉市大东湖生态水网”的构建。具体包括污染控制、水网连通和生态修复三大工程，和建立监测评估研究平台，总投资158.78亿元人民币。实现东湖、外沙湖、杨春湖、严西湖、严东湖、北湖和长江的连通，以达到“引江济湖，湖湖连通”的目的。引长江水将受污染的湖水置换出来。目前这项工程只是拉开了序幕，各项具体措施尚未全部实施，从零九年开始，漫漫十二年的工期将是生态水网构建的重要过程。

在实现“武汉市大东湖生态水网”的构建的过程中，建立水质监测成为举足轻重的环节。为了在完成湖湖连通之后，预防污染现象的再次恶化，需要实时对水质状况进行监测、预警和管理，从根本

上改善大东湖水体的水质。我们将使用已有的项目研究成果，对湖泊、河流的水体进行管理。并利用已有的项目，针对大东湖水系现状和水质特点，建立基于gis的动态数据库和大东湖智慧管理系统。而要实现这样一个“大东湖水系智慧监测管理系统”，使用物联网技术，无疑为我们系统的搭建和水质监测提供了便利。

1.2、国内外研究现状以及趋势

1.2.1国外研究现状

在水环境监测方面，20 世纪80 年代初,发达国家相继建立了自动连续监测系统和宏观生态监测系统,并借助地理信息系统技术(gis) 、遥感技术(rs) 和全球卫星定位系统技术(gps) ,连续观察水体污染状况变化及生态环境变化,预测预报未来环境质量,有力

扩大了环境监测范围以及监测数据的获取、处理、传输、应用的能力,为水环境监测动态监控区域环境质量乃至全球水生态环境质量提供了强有力的技术保障,极大促进了水环境监测的现代化发展,

实现了监测的实时性、连续性和完整性。为了更好的监测水环境，各国已经开始着手将物联网技术应用到水环境检测中，各国早已开始使用的gis技术就是物联网的前身。目前，物联网的研究主要集中在美，欧，日，韩少数等国家，最初的研发方向是条形码、rfid 等技术在商业零售、物流领域应用，而随着rifd、传感器技术、近程通讯和计算机技术的发展，近年来其研发、应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施建设等领域。如韩国环境部为全面推进rfid政策，启动了水资源污染管理系统等等。

1.2.2国内研究现状

我国水环境监测起步较晚,但经过30 年的发展,水环境监测已从单一的环境分析发展到物理监测、生物监测、生态监测、遥感、卫星监测,从间断性监测逐步过渡到自动连续监测。监测范围从一个断面发展到一个城市、一个区域乃至全国。一个以环境分析为基础,以物理测定主导,以生物监测、生态监测为补充的水环境监测技术体系已初步形成。同时,初步形成了具有中国特色的水环境监测技术规范、水环境监测分析方法、水环境质量标准体系和水环境质量报告制度,并逐步迈向标准化轨道。水环境监测实现了监测信息公开,环境管理政务公开,同时监测系统紧扣环境管理和社会公众的

需要,且能够提高公众环保意识和提升水环境监测的地位和形象。

1.2.3研究趋势

随着科学技术的不断进步和发展，各种新的技术也不断地应用于环境监测的实际工作中。水环境监测规范鼓励各级水环境监测中心在水环境监测工作中积极采用新技术、新方法、新材料、新设备等。同时，水环境监测应基于实验室仪器设备的现状对分析方法进行选择，积极鼓励采用新的先进技术(如等效或参照采用有关国际标准等)，以提高水环境监测技术水平。目前自动化程度的不断提高，对水环境的监测可实行水污染的动态监测。水污染动态监测是在常规水质监测的基础上发展起来的，是针对水污染特点，在时间或水质水量方面进行动态的同步监测。在监测项目、时间、频率以及监测范围方面，是根据各河道污染的主要水质指标，分河段按不同水

情和污染状况，采取不同监测频率，对河道水污染进行跟踪性或监视性监测，以确定污染的影响范围与程度，便于管理部门及时采取对策。随着今后rfid，3g网络，智能传感器等硬件功能的不断完善，造价不断降低，将物联网技术扩展到更多环境监测领域，如大气监测、固体废弃物检测、海洋污染环境监测、生态环境监测等等也是可行的。

二、基于物联网的东湖水环境信息管理系统平台设计

2.1、东湖水环境信息系统总体设计

基于物联网是由感知层，连接层和只能层组成，本系统构建也由此分为三部分。感知层由各个带有3g模块水质监测传感器组成，主要监测水中ph值、浊度、水温、电导、cod等的基本参数。连接层通过已借助布点模型安排好的传感器上的3g模块将探测到的数据发到各对应分站点，分站点汇总数据再通过vpn组成的局域网传输到水质监控总站。智能层有安装有水环境综合管理系统的pc机，记录水质数据的服务器等组成，在监控总站可以汇总各湖水环境信息，根据不同的水质情况运用不同的水质模型进行分析，最终上传到高级管理部门的pc端。水质监测总站通过互联网与现有的武汉地理信息平台连接。

2.1.1系统感知层

监测点传感器是体现物联网感知能力的核心因素，水质监测基站主要负责采集水样并通过各种水质监测仪器对水样的各种参数进

行监测，包括ph值、浊度、水温、电导、cod等基本参数。并且对

这些基本参数数据进行缓存。按照一定时间设定通过各种通讯方式上传到中心服务器，同时可以接受中心服务器的控制，并辅助以摄像头对水面进行全面检测。（采用gprs或者pstn modem拨号作为备用通信通道，一旦主通讯通道发生故障不能上传数据时控制器可以通过拨号方式采用备用通讯通道上传数据，这样就可以保证数据能够及时准确地上传。）如图2.1所示，传感器节点可由水质传感器、信号采集模块、无线通信模块组成。其中水质传感器将水质参数的物理量和化学量转换成电信号。信号调理模块对采集到的电信号进行放大处理,每一个调理模块上都相应的附有一个电子标签，电子标签里面包含着各种传感器的属性信息（包括是否正常工作，是否睡眠模式，地理位置信息等等）。无线通信模块负责传感器节点与其他节点之间进行无线通信。传感器节点使用太阳能电板供电，因而低功耗设计成为主要考虑的问题。系统传感器节点在不进行数据采集时，进入睡眠模式，在睡眠模式时将供电电源关闭，这样在很大程度上节省系统的功耗，扩展了整个网络的生存周期。

图2.1感知层模块设计图

2.1.2系统连接层

由于地理条件的限制，装载3g无线传输模块的传感器将监测到的各项参数通过无线网络发送到各个分站点，已连接了互联网的分站点将信息通过互联网发送到检测中心。分站点的终端与监测中心的终端通过因特网组建vpn（虚拟私人网络）传输数据，使用vpn