基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的甘南藏區(qū)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

水資源短缺和水質(zhì)污染是當(dāng)今世界水環(huán)境面臨的兩大難題，越來(lái)越受到世界各地的重視和關(guān)注。我國(guó)是世界13個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家之一，人均水資源尚不足世界人均水平的1/4。為了保護(hù)水資源和防治水污染，2011年中央一號(hào)文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》，對(duì)新形勢(shì)下水資源質(zhì)量的重要性進(jìn)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(nèi)有白龍江、黃河、洮河、大夏河“一江三河”，是黃河、長(zhǎng)江干流的重要水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)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(bǔ)給水源、調(diào)節(jié)氣候、保持水土、維護(hù)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(lái)隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，甘南水資源目前污染嚴(yán)重。例如，大夏河進(jìn)入臨夏州后，在耕地多、村莊密集、機(jī)關(guān)單位、工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)居民聚集區(qū)的臨夏市遭受嚴(yán)重污染。大夏河在臨夏境內(nèi)流程90km，是臨夏境內(nèi)流程僅次于黃河的河流,是當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水的主要來(lái)源，僅臨夏市用于灌溉的農(nóng)田就達(dá)4.6萬(wàn)畝。大夏河水質(zhì)惡化，使得本來(lái)水資源緊缺的臨夏各地，又面臨著水質(zhì)型缺水。這樣的流域污染值得我們關(guān)注。

甘南水資源的日益惡化已經(jīng)到了不容忽視的程度，如不及時(shí)對(duì)其加大保護(hù)和治理，不僅會(huì)影響和制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且也會(huì)影響黃河和長(zhǎng)江中下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本研究利用現(xiàn)階段已成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為甘南藏區(qū)開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)最早出現(xiàn)于比爾?蓋茨1995年《未來(lái)之路》一書,在《未來(lái)之路》中，比爾?蓋茨已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)，只是當(dāng)時(shí)受限于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、硬件及傳感設(shè)備的發(fā)展，并未引起重視。1998年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)創(chuàng)造性地提出了當(dāng)時(shí)被稱作EPC系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想。1999年，建立在物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，美國(guó)的Auto-ID中心正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。

2005年，在信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》報(bào)告中指出，信息與通信技術(shù)(ICT)的目標(biāo)已經(jīng)從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的連接。物聯(lián)網(wǎng)使我們?cè)谛畔⑴c通信技術(shù)的世界里獲得一個(gè)新的溝通維度，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、連接任何人，擴(kuò)展到連接任何物品，萬(wàn)物的連接就形成了物聯(lián)網(wǎng)o

2009年初，美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)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(duì)此給與了積極的響應(yīng)：“經(jīng)濟(jì)刺激資金將會(huì)投入到寬帶網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)中去，毫無(wú)疑問(wèn)，這就是美國(guó)在21世紀(jì)保持和奪回競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的方式”，并將新能源和物聯(lián)網(wǎng)列為振興美國(guó)經(jīng)濟(jì)的兩大武器。同年，歐盟執(zhí)委會(huì)發(fā)表題為《InternetofTings-AnactionplanforEurope》的物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)方案，描述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的前景，并提出要加強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的管理、完善隱私和個(gè)人數(shù)據(jù)保護(hù)，提高物聯(lián)網(wǎng)的可信度、推廣標(biāo)準(zhǔn)化、建立開放的創(chuàng)新環(huán)境、推廣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等行動(dòng)建議。韓國(guó)通信委員會(huì)于2009年出臺(tái)《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》，該規(guī)劃是在韓國(guó)政府之前的一系列RFID/USN(傳感器網(wǎng))相關(guān)計(jì)劃的基礎(chǔ)上提出的，目標(biāo)是要在已有的RFID/USN應(yīng)用和試驗(yàn)網(wǎng)條件下構(gòu)建世界最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，營(yíng)造物聯(lián)網(wǎng)推廣環(huán)境等。

我國(guó)政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展。2009年8月，國(guó)務(wù)院總理溫家寶在無(wú)錫考察時(shí)發(fā)表重要講話，指出“感知中國(guó)”的戰(zhàn)略構(gòu)想，表示中國(guó)要抓住機(jī)遇，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。11月，溫家寶總理向首都科技界發(fā)表了題為《讓科技引領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展》的講話，再次強(qiáng)調(diào)科學(xué)選擇新興產(chǎn)業(yè)非常重要,并指示要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

2物聯(lián)網(wǎng)原理

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“InternetofThing”在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品能夠彼此進(jìn)行“交流"，而無(wú)須人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息互聯(lián)與共享。它把所有物品通過(guò)無(wú)限射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，智能化識(shí)別和管理，其中非常重要的技術(shù)是RFID電子標(biāo)簽技術(shù)。以簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件技術(shù)等，構(gòu)筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無(wú)數(shù)移動(dòng)的標(biāo)簽組成的比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)已成為RFID技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

RFID正是能夠讓物品“開口說(shuō)話”的一種技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)開放性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，對(duì)物品進(jìn)行“透明”的管理。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示叫

圖1  物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)概述

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

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中融合了固定遠(yuǎn)程檢測(cè)站點(diǎn)、移動(dòng)無(wú)限檢測(cè)站點(diǎn)以及生物水質(zhì)檢測(cè)站點(diǎn)，形成檢測(cè)水域完全覆蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

3.2系統(tǒng)軟件功能分析

在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，水質(zhì)污染物的種類繁多、成分復(fù)雜、干擾嚴(yán)重，需要有一系列的化學(xué)前期處理操作。水質(zhì)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(dòng)檢測(cè)帶來(lái)了很大的困難。因此，在設(shè)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，首先要選擇一些能夠反映水質(zhì)污染的綜合標(biāo)度的項(xiàng)目，建成連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)是否已經(jīng)出現(xiàn)異常和污染。本系統(tǒng)的設(shè)置選擇了能夠反應(yīng)水質(zhì)綜合指標(biāo)的PH值、COD、水溫和氨氮等重要參數(shù)。系統(tǒng)軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下的功能：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能。將遠(yuǎn)程檢測(cè)終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示現(xiàn)場(chǎng)儀器采集到的各種數(shù)據(jù)。

測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)修改及控制功能。通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)、停止等。

報(bào)警功能。能夠提供多樣性、靈活的報(bào)警功能，并對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

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

用戶管理功能。系統(tǒng)能夠設(shè)置不同的用戶，并對(duì)不同的用戶設(shè)置不同的權(quán)限。

數(shù)據(jù)報(bào)表功能。能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員分析歷史數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)以無(wú)線傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)水位、水溫、PH值、COD、HN3-N等進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。采用各種傳感器將采集的信息通過(guò)ZigBee方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，從而快速得到相關(guān)的信息，便于快速采取應(yīng)對(duì)措施。ZigBee是一種低功耗、低成本、短時(shí)延、高可靠性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電池供電及無(wú)線傳輸。無(wú)需工程布線，安裝簡(jiǎn)便，大大降低了施工的難度。工作人員既可以直接通過(guò)主接收器發(fā)送指令，將各個(gè)站點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以通過(guò)主接收器發(fā)出連續(xù)采集指令，各傳感器以設(shè)定的時(shí)間間隔反復(fù)進(jìn)行信息采集和發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的能力。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.3.1水位檢測(cè)

采用水位傳感器、ZigBee無(wú)線傳感模塊、扌艮警裝置更換原有的水位檢測(cè)器，對(duì)水位、水溫進(jìn)行無(wú)線檢測(cè)。當(dāng)水位超過(guò)或者低于警戒水位時(shí)，將會(huì)自動(dòng)接觸報(bào)警器，報(bào)警信息通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)出報(bào)警，及時(shí)提醒水質(zhì)監(jiān)測(cè)臺(tái)及時(shí)泄洪、儲(chǔ)水等應(yīng)急措施。

3.3.2水溫檢測(cè)

采用溫度傳感器、無(wú)線通信ZigBee、報(bào)警裝置對(duì)水溫進(jìn)行檢測(cè)，一旦水溫超過(guò)預(yù)警值，傳感器將會(huì)觸發(fā)報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警，并將詳細(xì)信息通過(guò)ZigBee傳到水溫監(jiān)控臺(tái)，以方便采取相應(yīng)的措施。

3.3.3PH值檢測(cè)

PH值檢測(cè)器由PH傳感器、點(diǎn)位測(cè)量及報(bào)警組成。PH傳感器就是將H+粒子的活度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的敏感元件,它主要由PH測(cè)量電極和參比電極，通過(guò)兩支電極可把溶液的氫離子活度轉(zhuǎn)換成電位信號(hào)，該電位經(jīng)過(guò)點(diǎn)位測(cè)量?jī)x器進(jìn)行一系列處理后，儀器便可顯示被測(cè)PH值。當(dāng)PH值超出警戒值,就會(huì)觸發(fā)警報(bào)器報(bào)警，提醒工作人員采取相應(yīng)的對(duì)策。

3.3.4氨氮檢測(cè)

氨氮檢測(cè)系統(tǒng)由氨氮傳感器、無(wú)線傳感器、扌艮警器組成。將氨氮傳感器安置在水域的各個(gè)地點(diǎn)，由攜帶的ZigBee無(wú)線傳感模塊控制，每隔一段時(shí)間向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一次信息，方便水質(zhì)檢測(cè)臺(tái)實(shí)時(shí)了解各個(gè)水域的氨氮狀況。

3.3.5COD檢測(cè)系統(tǒng)

作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重要的檢測(cè)項(xiàng)目就是COD。COD是評(píng)價(jià)水體污染的重要指標(biāo)之一，表示水中還原性物質(zhì)的多少,是環(huán)境檢測(cè)中的必需項(xiàng)目。COD檢測(cè)系統(tǒng)由COD傳感器、ZigBee無(wú)線傳感模塊、扌艮警器等組成，通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)臺(tái)的控制器實(shí)時(shí)接收COD傳感器上傳回來(lái)的信息并作出相應(yīng)的判斷,當(dāng)COD值超標(biāo)時(shí)，將會(huì)發(fā)出報(bào)警。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)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(shí)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(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、移動(dòng)性，降低設(shè)備維護(hù)的成本，對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)和利用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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