物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

程春+劉洋+李偉亭

摘要：水資源是自然生態(tài)系統(tǒng)重要的物質(zhì)資源，但隨著社會(huì)的發(fā)展，使得水資源面臨越來越嚴(yán)重的危機(jī)。本文從水資源的短缺以及嚴(yán)重污染為背景，研究了早期水資源監(jiān)測(cè)情況以及現(xiàn)在水資源監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的弊端，從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)入手，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是傳感器技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)在水資源監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水資源；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；水資源監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）01-0074-02

水資源是自然生態(tài)系統(tǒng)重要的物質(zhì)資源，也是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐物質(zhì)資源。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口增加，以及自然條件的變化，我國在水資源領(lǐng)域面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。水資源短缺日益成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一，作為世界上人口最多的國家，我國水資源總量居世界第6位，人均占有量為2240m2，僅為世界人均的四分之一。我國城鎮(zhèn)附近水體受污染率已高達(dá)90%，適宜飲用的潔凈水源已經(jīng)所剩不多，對(duì)數(shù)億人口飲用水安全構(gòu)成了重大威脅，加大保護(hù)水源的力度將是關(guān)系到國計(jì)民生的大問題。對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理無疑成為解決水資源污染以及短缺的重要基礎(chǔ)手段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，則為解決水資源污染以及短缺的問題提供了新思路與新方法。

1 水資源監(jiān)測(cè)的發(fā)展?fàn)顩r

在信息技術(shù)不夠發(fā)達(dá)的時(shí)候，水利管理部門對(duì)水資源的監(jiān)測(cè)與管理主要是采用的是人工監(jiān)測(cè)，人工檢測(cè)的缺點(diǎn)是花費(fèi)時(shí)間長，勞動(dòng)量很大且發(fā)現(xiàn)的問題少，只能監(jiān)測(cè)到很少的水資源信息種類，并且時(shí)效性非常差。

單片機(jī)和智能儀表的出現(xiàn)，使得水資源的監(jiān)測(cè)進(jìn)入了短距離的自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)代，但是這種監(jiān)測(cè)只能應(yīng)用于單個(gè)的水資源監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，可以將單個(gè)的水資源監(jiān)測(cè)站點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接，從而形成一個(gè)具有一定規(guī)模的水資源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了較大的人力。但是隨著使用規(guī)模的擴(kuò)大以及監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長，發(fā)現(xiàn)該方式需要大量的計(jì)算機(jī)來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且在部署時(shí)要使用總線控制，會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)且不利于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的再擴(kuò)展。

隨后，無線通訊技術(shù)被應(yīng)用到水資源的監(jiān)測(cè)當(dāng)中。在監(jiān)測(cè)時(shí)得到的水資源信息可以通過有線或者無線的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心將根據(jù)獲得的信息作出相應(yīng)的處理。但由于市場(chǎng)上銷售的數(shù)據(jù)傳輸單元種類太多，各品牌的產(chǎn)品互相兼容性太差，不利于形成一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是利用傳感器、無線射頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等各種感知技術(shù)和設(shè)備，將物理世界的物體通過網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)相連，從而獲取物理世界的各種信息，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的信息交互，以達(dá)到可以對(duì)物體進(jìn)行智能化的識(shí)別、感知以及管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)通常被分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

感知層位于體系結(jié)構(gòu)中的最底層，是應(yīng)用層的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)和短距離傳輸數(shù)據(jù)是感知層的主要任務(wù)。首先是感知設(shè)備進(jìn)行物理世界信息的采集，然后將采集到信息通過BLE、ZigBee、紅外燈傳輸技術(shù)傳遞到網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)層主要進(jìn)行信息的傳遞。網(wǎng)絡(luò)層包括核心網(wǎng)和各種接入網(wǎng)。核心網(wǎng)是基于IP的統(tǒng)一、高性能、可擴(kuò)展的分組網(wǎng)絡(luò)，支持異構(gòu)接入以及移動(dòng)性；接入網(wǎng)為終端提供基本的網(wǎng)絡(luò)接入功能、移動(dòng)性管理、對(duì)現(xiàn)有接入技術(shù)的優(yōu)化等。網(wǎng)絡(luò)層的作用就是當(dāng)感知層中的感應(yīng)設(shè)備將物理信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，再通過網(wǎng)絡(luò)層中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和其他專用網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)服務(wù)器，以使客戶可以根據(jù)自己的需要獲取物理信息。

應(yīng)用層的主要是通過分析、處理與決策，完成從信息到知識(shí)、再到控制指揮的智能演化，實(shí)現(xiàn)處理問題和解決問題的能力，完成特定的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)在水資源監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)在其體系結(jié)構(gòu)中的每個(gè)層次都有不同的關(guān)鍵技術(shù)。主要是使用了傳感器技術(shù)、ZigeBee無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)。

3.1 傳感器技術(shù)

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在感知層使用的設(shè)備，是與物理世界進(jìn)行交互的重要方式。傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息?，F(xiàn)在傳感器技術(shù)被廣泛應(yīng)用，從航空、航天等領(lǐng)域到農(nóng)林、環(huán)保以及人們得衣食住行等生活的方方面面。

在水資源監(jiān)測(cè)中，主要使用的傳感器有溫度傳感器、PH感器、電導(dǎo)率傳感器、雨量傳感器、水質(zhì)傳感器以及水量傳感器等等。這些傳感器采集到的信息，通過GPRS/CDMA通道，上傳到水資源監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)控中心的管理人員將能及時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況，準(zhǔn)確做出判斷，及時(shí)進(jìn)行處理。

3.2 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。由于傳感器的功耗很低，通過接力的方式利用無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另外一個(gè)傳感器，因此ZigBee技術(shù)的通信效率非常高。ZigBee的組網(wǎng)方式是自組網(wǎng)，不經(jīng)過人為的任何操作，設(shè)備之間只要彼此在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互通互聯(lián)的ZigeBee網(wǎng)絡(luò)?；赯igeBee的這些優(yōu)點(diǎn)，ZigBee無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用在智能家居、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表等領(lǐng)域。

在水資源監(jiān)測(cè)中，各傳感器通過ZigBee技術(shù)講采集到的信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的信息進(jìn)行融合處理之后再傳輸給用戶。各傳感器之間不需要通過其他設(shè)備來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署，有利于升級(jí)系統(tǒng)。

3.3 嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不能稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它的目的是應(yīng)用，基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，并且對(duì)軟件和硬件可以進(jìn)行裁剪，能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、實(shí)時(shí)性、成本、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用型強(qiáng)等特點(diǎn)。

在水資源監(jiān)測(cè)中，對(duì)水資源信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)所使用的傳感器以及智能儀表，還有傳輸數(shù)據(jù)的終端機(jī)，基本上使用的技術(shù)都是嵌入式技術(shù)。嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為水資源監(jiān)測(cè)中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。

4 結(jié)語

在水資源監(jiān)測(cè)中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以準(zhǔn)確、快速的采集到水資源中的信息，并可及時(shí)傳輸?shù)焦芾聿块T的終端機(jī)，使得管理人員可及時(shí)根據(jù)情況做出應(yīng)對(duì)措施以及處理意見，提高了工作效率，減少了人力以及財(cái)力的浪費(fèi)，同時(shí)也提高了水資源的質(zhì)量，從而保障了人們的正常生活。

參考文獻(xiàn)

[1]吳文霞，朱金秀，陳奮遠(yuǎn)，黃潔潔，詹萬林.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水利信息化，2016（04）：40.

[2]謝啟順.水資源監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]李奇林.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利業(yè)務(wù)中的應(yīng)用[J].湖南水利水電：2016（03）：85-87.