基于物联网技术的甘南藏区水质检测系统的设计

引言

水资源短缺和水质污染是当今世界水环境面临的两大难题，越来越受到世界各地的重视和关注。我国是世界13个严重缺水的国家之一，人均水资源尚不足世界人均水平的1/4。为了保护水资源和防治水污染，2011年中央一号文件《关于加快水利改革发展的决定》，对新形势下水资源质量的重要性进行了全新的阐述。

甘南藏区地处青藏高原东北边缘，平均海拔3000m，境内有白龙江、黄河、洮河、大夏河“一江三河”，是黄河、长江干流的重要水源涵养区和补给区，具有“中华水塔”和“黄河蓄水池”之称。甘南水资源在涵养和补给水源、调节气候、保持水土、维护生物多样性方面发挥着重要作用，在维系黄河流域水资源和生态安全方面发挥着不可替代的作用。

近年来随着工农业的发展，甘南水资源目前污染严重。例如，大夏河进入临夏州后，在耕地多、村庄密集、机关单位、工业企业、城镇居民聚集区的临夏市遭受严重污染。大夏河在临夏境内流程90km，是临夏境内流程仅次于黄河的河流,是当地生产生活用水的主要来源，仅临夏市用于灌溉的农田就达4.6万亩。大夏河水质恶化，使得本来水资源紧缺的临夏各地，又面临着水质型缺水。这样的流域污染值得我们关注。

甘南水资源的日益恶化已经到了不容忽视的程度，如不及时对其加大保护和治理，不仅会影响和制约当地经济的发展，而且也会影响黄河和长江中下游地区的经济发展。

本研究利用现阶段已成熟的物联网技术为甘南藏区开发具有现实意义的水质检测系统，实现对水质参数的远程检测和实时监测。

1物联网概述

物联网最早出现于比尔•盖茨1995年《未来之路》一书,在《未来之路》中，比尔•盖茨已经提及物联网，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。1998年美国麻省理工学院(MIT)创造性地提出了当时被称作EPC系统的物联网构想。1999年，建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上，美国的Auto-ID中心正式提出了物联网的概念。

2005年，在信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》报告中指出，信息与通信技术(ICT)的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到实现人与物、物与物之间的连接。物联网使我们在信息与通信技术的世界里获得一个新的沟通维度，将任何时间、任何地点、连接任何人，扩展到连接任何物品，万物的连接就形成了物联网o

2009年初，美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念。奥巴马对此给与了积极的响应：“经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式”，并将新能源和物联网列为振兴美国经济的两大武器。同年，欧盟执委会发表题为《InternetofTings-AnactionplanforEurope》的物联网行动方案，描述了物联网技术应用的前景，并提出要加强对物联网的管理、完善隐私和个人数据保护，提高物联网的可信度、推广标准化、建立开放的创新环境、推广物联网应用等行动建议。韩国通信委员会于2009年出台《物联网基础设施构建基本规划》，该规划是在韩国政府之前的一系列RFID/USN(传感器网)相关计划的基础上提出的，目标是要在已有的RFID/USN应用和试验网条件下构建世界最先进的物联网基础设施，发展物联网服务，研发物联网技术，营造物联网推广环境等。

我国政府也高度重视物联网的研究和发展。2009年8月，国务院总理温家宝在无锡考察时发表重要讲话，指出“感知中国”的战略构想，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术。11月，温家宝总理向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，再次强调科学选择新兴产业非常重要,并指示要着力突破传感网、物联网关键技术。

2物联网原理

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThing”在这个网络中，物品能够彼此进行“交流"，而无须人的干预。其实质是利用射频识别技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息互联与共享。它把所有物品通过无限射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，智能化识别和管理，其中非常重要的技术是RFID电子标签技术。以简单的RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的比Internet更为庞大的物联网已成为RFID技术发展的趋势。

RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网把它们自动采集到中央信息系统,实现物品的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，对物品进行“透明”的管理。物联网应用的拓扑结构如图1所示叫

图1  物联网应用的拓扑结构图

3基于物联网的水质检测系统的设计

3.1水质检测系统概述

甘南藏区水资源的不断短缺和水质污染的现状，使基于物联网技术的水质检测系统的研究具有举足轻重的作用。

在系统的设计中融合了固定远程检测站点、移动无限检测站点以及生物水质检测站点，形成检测水域完全覆盖的实时监控网络。

3.2系统软件功能分析

在现实生活当中，水质污染物的种类繁多、成分复杂、干扰严重，需要有一系列的化学前期处理操作。水质污染往往是痕量的，需要建立各种提取方法及各种痕量方法。所有这些都为连续自动检测带来了很大的困难。因此，在设计水质监测系统时，首先要选择一些能够反映水质污染的综合标度的项目，建成连续自动监测系统，及时发现水质是否已经出现异常和污染。本系统的设置选择了能够反应水质综合指标的PH值、COD、水温和氨氮等重要参数。系统软件应实现以下的功能：

实时数据采集功能。将远程检测终端的实时数据采集到计算机中，能够实现显示现场仪器采集到的各种数据。

测控现场的参数修改及控制功能。通过无线通信网络对现场设备进行参数设置、启动、停止等。

报警功能。能够提供多样性、灵活的报警功能，并对报警数据进行存储。

曲线图形显示功能。能够按时间段浏览历史数据曲线，并且可以显示实时数据。

用户管理功能。系统能够设置不同的用户，并对不同的用户设置不同的权限。

数据报表功能。能够对历史数据进行打印，方便现场操作人员分析历史数据。

3.3系统设计方案

水质检测系统以无线传感技术为基础，对水位、水温、PH值、COD、HN3-N等进行连续检测。采用各种传感器将采集的信息通过ZigBee方式传输到数据库进行分析，从而快速得到相关的信息，便于快速采取应对措施。ZigBee是一种低功耗、低成本、短时延、高可靠性的无线传感器网络采用的技术，能够实现电池供电及无线传输。无需工程布线，安装简便，大大降低了施工的难度。工作人员既可以直接通过主接收器发送指令，将各个站点检测到的数据读入数据库，也可以通过主接收器发出连续采集指令，各传感器以设定的时间间隔反复进行信息采集和发送，从而实现实时监控的能力。水质监测系统功能结构图如图2所示。

3.3.1水位检测

采用水位传感器、ZigBee无线传感模块、扌艮警装置更换原有的水位检测器，对水位、水温进行无线检测。当水位超过或者低于警戒水位时，将会自动接触报警器，报警信息通过ZigBee无线传输到数据库并发出报警，及时提醒水质监测台及时泄洪、储水等应急措施。

3.3.2水温检测

采用温度传感器、无线通信ZigBee、报警装置对水温进行检测，一旦水温超过预警值，传感器将会触发报警器自动报警，并将详细信息通过ZigBee传到水温监控台，以方便采取相应的措施。

3.3.3PH值检测

PH值检测器由PH传感器、点位测量及报警组成。PH传感器就是将H+粒子的活度转换成相应的电信号的敏感元件,它主要由PH测量电极和参比电极，通过两支电极可把溶液的氢离子活度转换成电位信号，该电位经过点位测量仪器进行一系列处理后，仪器便可显示被测PH值。当PH值超出警戒值,就会触发警报器报警，提醒工作人员采取相应的对策。

3.3.4氨氮检测

氨氮检测系统由氨氮传感器、无线传感器、扌艮警器组成。将氨氮传感器安置在水域的各个地点，由携带的ZigBee无线传感模块控制，每隔一段时间向数据中心发送一次信息，方便水质检测台实时了解各个水域的氨氮状况。

3.3.5COD检测系统

作为水质监测系统，重要的检测项目就是COD。COD是评价水体污染的重要指标之一，表示水中还原性物质的多少,是环境检测中的必需项目。COD检测系统由COD传感器、ZigBee无线传感模块、扌艮警器等组成，通过水质检测台的控制器实时接收COD传感器上传回来的信息并作出相应的判断,当COD值超标时，将会发出报警。

4结语

本文提出的基于物联网技术的无线传感器网络的水质检测系统方案，充分考虑了系统的需要，利用具有低成本、易实现、可靠的数据传输和低功耗、监控方便、灵活等特点的ZigBee网络，大大提高了系统的可扩展性、移动性，降低设备维护的成本，对系统的开发和利用具有一定的现实意义。

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