基于物聯(lián)網技術的甘南藏區(qū)水質檢測系統(tǒng)的設計

引言

水資源短缺和水質污染是當今世界水環(huán)境面臨的兩大難題，越來越受到世界各地的重視和關注。我國是世界13個嚴重缺水的國家之一，人均水資源尚不足世界人均水平的1/4。為了保護水資源和防治水污染，2011年中央一號文件《關于加快水利改革發(fā)展的決定》，對新形勢下水資源質量的重要性進行了全新的闡述。

甘南藏區(qū)地處青藏高原東北邊緣，平均海拔3000m，境內有白龍江、黃河、洮河、大夏河“一江三河”，是黃河、長江干流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)和補給區(qū)，具有“中華水塔”和“黃河蓄水池”之稱。甘南水資源在涵養(yǎng)和補給水源、調節(jié)氣候、保持水土、維護生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，在維系黃河流域水資源和生態(tài)安全方面發(fā)揮著不可替代的作用。

近年來隨著工農業(yè)的發(fā)展，甘南水資源目前污染嚴重。例如，大夏河進入臨夏州后，在耕地多、村莊密集、機關單位、工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)居民聚集區(qū)的臨夏市遭受嚴重污染。大夏河在臨夏境內流程90km，是臨夏境內流程僅次于黃河的河流,是當?shù)厣a生活用水的主要來源，僅臨夏市用于灌溉的農田就達4.6萬畝。大夏河水質惡化，使得本來水資源緊缺的臨夏各地，又面臨著水質型缺水。這樣的流域污染值得我們關注。

甘南水資源的日益惡化已經到了不容忽視的程度，如不及時對其加大保護和治理，不僅會影響和制約當?shù)亟洕陌l(fā)展，而且也會影響黃河和長江中下游地區(qū)的經濟發(fā)展。

本研究利用現(xiàn)階段已成熟的物聯(lián)網技術為甘南藏區(qū)開發(fā)具有現(xiàn)實意義的水質檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對水質參數(shù)的遠程檢測和實時監(jiān)測。

1物聯(lián)網概述

物聯(lián)網最早出現(xiàn)于比爾?蓋茨1995年《未來之路》一書,在《未來之路》中，比爾?蓋茨已經提及物聯(lián)網，只是當時受限于無線網絡、硬件及傳感設備的發(fā)展，并未引起重視。1998年美國麻省理工學院(MIT)創(chuàng)造性地提出了當時被稱作EPC系統(tǒng)的物聯(lián)網構想。1999年，建立在物品編碼、RFID技術和互聯(lián)網的基礎上，美國的Auto-ID中心正式提出了物聯(lián)網的概念。

2005年，在信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網報告2005:物聯(lián)網》報告中指出，信息與通信技術(ICT)的目標已經從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到實現(xiàn)人與物、物與物之間的連接。物聯(lián)網使我們在信息與通信技術的世界里獲得一個新的溝通維度，將任何時間、任何地點、連接任何人，擴展到連接任何物品，萬物的連接就形成了物聯(lián)網o

2009年初，美國工商業(yè)領袖舉行了一次“圓桌會議”作為僅有的兩名代表之一，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念。奧巴馬對此給與了積極的響應：“經濟刺激資金將會投入到寬帶網絡等新興技術中去，毫無疑問，這就是美國在21世紀保持和奪回競爭優(yōu)勢的方式”，并將新能源和物聯(lián)網列為振興美國經濟的兩大武器。同年，歐盟執(zhí)委會發(fā)表題為《InternetofTings-AnactionplanforEurope》的物聯(lián)網行動方案，描述了物聯(lián)網技術應用的前景，并提出要加強對物聯(lián)網的管理、完善隱私和個人數(shù)據(jù)保護，提高物聯(lián)網的可信度、推廣標準化、建立開放的創(chuàng)新環(huán)境、推廣物聯(lián)網應用等行動建議。韓國通信委員會于2009年出臺《物聯(lián)網基礎設施構建基本規(guī)劃》，該規(guī)劃是在韓國政府之前的一系列RFID/USN(傳感器網)相關計劃的基礎上提出的，目標是要在已有的RFID/USN應用和試驗網條件下構建世界最先進的物聯(lián)網基礎設施，發(fā)展物聯(lián)網服務，研發(fā)物聯(lián)網技術，營造物聯(lián)網推廣環(huán)境等。

我國政府也高度重視物聯(lián)網的研究和發(fā)展。2009年8月，國務院總理溫家寶在無錫考察時發(fā)表重要講話，指出“感知中國”的戰(zhàn)略構想，表示中國要抓住機遇，大力發(fā)展物聯(lián)網技術。11月，溫家寶總理向首都科技界發(fā)表了題為《讓科技引領中國可持續(xù)發(fā)展》的講話，再次強調科學選擇新興產業(yè)非常重要,并指示要著力突破傳感網、物聯(lián)網關鍵技術。

2物聯(lián)網原理

物聯(lián)網是在計算機互聯(lián)網的基礎上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThing”在這個網絡中，物品能夠彼此進行“交流"，而無須人的干預。其實質是利用射頻識別技術，通過計算機互聯(lián)網實現(xiàn)物品的自動識別和信息互聯(lián)與共享。它把所有物品通過無限射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網連接起來，智能化識別和管理，其中非常重要的技術是RFID電子標簽技術。以簡單的RFID系統(tǒng)為基礎，結合已有的網絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、中間件技術等，構筑一個由大量聯(lián)網的閱讀器和無數(shù)移動的標簽組成的比Internet更為龐大的物聯(lián)網已成為RFID技術發(fā)展的趨勢。

RFID正是能夠讓物品“開口說話”的一種技術。在物聯(lián)網的構想中，RFID標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網把它們自動采集到中央信息系統(tǒng),實現(xiàn)物品的識別，進而通過開放性的計算機網絡實現(xiàn)信息交換和共享，對物品進行“透明”的管理。物聯(lián)網應用的拓撲結構如圖1所示叫

圖1  物聯(lián)網應用的拓撲結構圖

3基于物聯(lián)網的水質檢測系統(tǒng)的設計

3.1水質檢測系統(tǒng)概述

甘南藏區(qū)水資源的不斷短缺和水質污染的現(xiàn)狀，使基于物聯(lián)網技術的水質檢測系統(tǒng)的研究具有舉足輕重的作用。

在系統(tǒng)的設計中融合了固定遠程檢測站點、移動無限檢測站點以及生物水質檢測站點，形成檢測水域完全覆蓋的實時監(jiān)控網絡。

3.2系統(tǒng)軟件功能分析

在現(xiàn)實生活當中，水質污染物的種類繁多、成分復雜、干擾嚴重，需要有一系列的化學前期處理操作。水質污染往往是痕量的，需要建立各種提取方法及各種痕量方法。所有這些都為連續(xù)自動檢測帶來了很大的困難。因此，在設計水質監(jiān)測系統(tǒng)時，首先要選擇一些能夠反映水質污染的綜合標度的項目，建成連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)水質是否已經出現(xiàn)異常和污染。本系統(tǒng)的設置選擇了能夠反應水質綜合指標的PH值、COD、水溫和氨氮等重要參數(shù)。系統(tǒng)軟件應實現(xiàn)以下的功能：

實時數(shù)據(jù)采集功能。將遠程檢測終端的實時數(shù)據(jù)采集到計算機中，能夠實現(xiàn)顯示現(xiàn)場儀器采集到的各種數(shù)據(jù)。

測控現(xiàn)場的參數(shù)修改及控制功能。通過無線通信網絡對現(xiàn)場設備進行參數(shù)設置、啟動、停止等。

報警功能。能夠提供多樣性、靈活的報警功能，并對報警數(shù)據(jù)進行存儲。

曲線圖形顯示功能。能夠按時間段瀏覽歷史數(shù)據(jù)曲線，并且可以顯示實時數(shù)據(jù)。

用戶管理功能。系統(tǒng)能夠設置不同的用戶，并對不同的用戶設置不同的權限。

數(shù)據(jù)報表功能。能夠對歷史數(shù)據(jù)進行打印，方便現(xiàn)場操作人員分析歷史數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)設計方案

水質檢測系統(tǒng)以無線傳感技術為基礎，對水位、水溫、PH值、COD、HN3-N等進行連續(xù)檢測。采用各種傳感器將采集的信息通過ZigBee方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進行分析，從而快速得到相關的信息，便于快速采取應對措施。ZigBee是一種低功耗、低成本、短時延、高可靠性的無線傳感器網絡采用的技術，能夠實現(xiàn)電池供電及無線傳輸。無需工程布線，安裝簡便，大大降低了施工的難度。工作人員既可以直接通過主接收器發(fā)送指令，將各個站點檢測到的數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)庫，也可以通過主接收器發(fā)出連續(xù)采集指令，各傳感器以設定的時間間隔反復進行信息采集和發(fā)送，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控的能力。水質監(jiān)測系統(tǒng)功能結構圖如圖2所示。

3.3.1水位檢測

采用水位傳感器、ZigBee無線傳感模塊、扌艮警裝置更換原有的水位檢測器，對水位、水溫進行無線檢測。當水位超過或者低于警戒水位時，將會自動接觸報警器，報警信息通過ZigBee無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫并發(fā)出報警，及時提醒水質監(jiān)測臺及時泄洪、儲水等應急措施。

3.3.2水溫檢測

采用溫度傳感器、無線通信ZigBee、報警裝置對水溫進行檢測，一旦水溫超過預警值，傳感器將會觸發(fā)報警器自動報警，并將詳細信息通過ZigBee傳到水溫監(jiān)控臺，以方便采取相應的措施。

3.3.3PH值檢測

PH值檢測器由PH傳感器、點位測量及報警組成。PH傳感器就是將H+粒子的活度轉換成相應的電信號的敏感元件,它主要由PH測量電極和參比電極，通過兩支電極可把溶液的氫離子活度轉換成電位信號，該電位經過點位測量儀器進行一系列處理后，儀器便可顯示被測PH值。當PH值超出警戒值,就會觸發(fā)警報器報警，提醒工作人員采取相應的對策。

3.3.4氨氮檢測

氨氮檢測系統(tǒng)由氨氮傳感器、無線傳感器、扌艮警器組成。將氨氮傳感器安置在水域的各個地點，由攜帶的ZigBee無線傳感模塊控制，每隔一段時間向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一次信息，方便水質檢測臺實時了解各個水域的氨氮狀況。

3.3.5COD檢測系統(tǒng)

作為水質監(jiān)測系統(tǒng)，重要的檢測項目就是COD。COD是評價水體污染的重要指標之一，表示水中還原性物質的多少,是環(huán)境檢測中的必需項目。COD檢測系統(tǒng)由COD傳感器、ZigBee無線傳感模塊、扌艮警器等組成，通過水質檢測臺的控制器實時接收COD傳感器上傳回來的信息并作出相應的判斷,當COD值超標時，將會發(fā)出報警。

4結語

本文提出的基于物聯(lián)網技術的無線傳感器網絡的水質檢測系統(tǒng)方案，充分考慮了系統(tǒng)的需要，利用具有低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和低功耗、監(jiān)控方便、靈活等特點的ZigBee網絡，大大提高了系統(tǒng)的可擴展性、移動性，降低設備維護的成本，對系統(tǒng)的開發(fā)和利用具有一定的現(xiàn)實意義。

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