淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 昊

一、前言

黨的十九大報(bào)告把堅(jiān)持人與自然和諧共生納入新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會(huì)主義的基本法方略。水生態(tài)文明建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)水利建設(shè)目標(biāo)，必須不斷增強(qiáng)現(xiàn)代水利和智慧水利建設(shè)，以最新的科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)水利工作開創(chuàng)新局面。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，簡稱IoT）起源于1999年，美國麻省理工學(xué)院建立了“自動(dòng)識(shí)別中心”（Auto-ID），提出所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象皆可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，最早闡明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的含義。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時(shí)代的一個(gè)重要發(fā)展階段。以互聯(lián)網(wǎng)為核心和基礎(chǔ)，將互聯(lián)終端延展到任何物體，并利用先進(jìn)的智能感知技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)與通信感知技術(shù)，對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行信息收集、交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

目前，在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為水環(huán)境監(jiān)測和管理新的發(fā)展方向，通過傳感器、二維碼、射頻識(shí)別、監(jiān)測分析儀等智能感知設(shè)備，迅速全面地采集水文水環(huán)境數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)，通過完善的網(wǎng)絡(luò)渠道傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析，實(shí)現(xiàn)管理部門對(duì)水環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的水利信息化平臺(tái)，還可實(shí)現(xiàn)水文水資源監(jiān)測站點(diǎn)測控、數(shù)據(jù)傳輸裝置以及水利工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)備控制，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，可有效應(yīng)對(duì)和防止突發(fā)性水環(huán)境污染事故，為水環(huán)境監(jiān)測和管理提供了便利。

二、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以分為以下三層：

1.感知層

感知層即數(shù)據(jù)采集層，主要應(yīng)用各種傳感器、識(shí)讀器、讀寫器、攝像頭識(shí)別物體、采集信息。該層的核心技術(shù)包括射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)。通過射頻和傳感器將水文監(jiān)測站和數(shù)據(jù)采集設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。在水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層主要包括水質(zhì)檢測儀、降水傳感器、水位傳感器、墑情傳感器、地下水監(jiān)測儀等。

2.網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層由有線、無線網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)組成，相當(dāng)于人身體上的中樞神經(jīng)，主要包括GPRS技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，負(fù)責(zé)將獲取的水文信息數(shù)據(jù)通過安全的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測控制中心，以供管理人員根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層需要荷載巨大的數(shù)據(jù)傳輸量，并且需要提供高效安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成進(jìn)行擴(kuò)展和融合。一般而言，當(dāng)前應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有4G通信網(wǎng)絡(luò)、WIFI、IPv6、ZiBee以及即將到來的5G等等。

3.應(yīng)用層

應(yīng)用層的功能主要是負(fù)責(zé)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、預(yù)警以及分析感知層獲取到的各種信息數(shù)據(jù)，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等組成，為水環(huán)境監(jiān)測管理部門提供相應(yīng)信息數(shù)據(jù)和各項(xiàng)基礎(chǔ)的監(jiān)管服務(wù)，包括水質(zhì)公告、水污染預(yù)警預(yù)測、污染源管理、廢污水監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測等等。

此外，在水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中，還包括安全服務(wù)保障和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，輔以各類硬件系統(tǒng)，承擔(dān)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、分類管理以及轉(zhuǎn)換等。安全保障貫穿于系統(tǒng)架構(gòu)的各個(gè)層級(jí)，包括安全體系、建設(shè)與管理體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，為整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、規(guī)范運(yùn)行提供保障。

三、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)是通過系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行管理與融合，設(shè)定科學(xué)統(tǒng)一的控制指令對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)水環(huán)境、水質(zhì)、水污染的監(jiān)測、預(yù)警和管理。目前國內(nèi)主流水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的功能可分為水污染監(jiān)測、水文信息監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、GIS發(fā)布、視頻監(jiān)視等。水污染監(jiān)測包括水污染排放企業(yè)信息管理、河流污染物排放統(tǒng)計(jì)、河流污染變化分析等；水文系統(tǒng)監(jiān)測包括雨水情信息、水位數(shù)據(jù)監(jiān)測、流量數(shù)據(jù)監(jiān)控、防汛信息預(yù)警等；水質(zhì)監(jiān)測包括水質(zhì)類別分析、水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)、水質(zhì)變化預(yù)警、應(yīng)急處理方案等；GIS發(fā)布包括水環(huán)境信息展示、空間基礎(chǔ)信息展示、水環(huán)境變化展示、達(dá)標(biāo)情況公布、污染排放展示等，通過集成GIS地圖，可概覽信息地圖的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和介紹；視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括河流污染排放口監(jiān)視、水文站點(diǎn)監(jiān)控、污水處理廠運(yùn)行監(jiān)控等，通過攝像設(shè)備對(duì)重要站點(diǎn)和排放口進(jìn)行視頻監(jiān)控，并提供視頻回放服務(wù)。

除了水文水污染等水環(huán)境信息的監(jiān)測監(jiān)控之外，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還可提供權(quán)限分級(jí)，為管理人員按照權(quán)限提供不同范圍的數(shù)據(jù)查詢和功能服務(wù)。水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的維護(hù)、維修工具也可以指導(dǎo)管理人員對(duì)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，大大提高了監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別（RFID）是一種非接觸性的智能化自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)通常位于偏遠(yuǎn)地帶，自然條件相對(duì)較差，特別適合射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。為監(jiān)測站點(diǎn)安裝射頻發(fā)射裝置，可通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別并獲取監(jiān)測儀器的相關(guān)數(shù)據(jù)。

射頻識(shí)別技術(shù)一般由三個(gè)部分組成：（1）標(biāo)簽。集成了芯片和耦合原件，每個(gè)標(biāo)簽都是唯一的電子編碼，以此來識(shí)別目標(biāo)對(duì)象。（2）讀寫器。讀寫器由基帶前端、射頻前端和外部接口組成，可實(shí)現(xiàn)通信事件調(diào)度、以太網(wǎng)對(duì)外通訊、RFID信號(hào)處理以及人機(jī)交互等功能。（3）天線。負(fù)責(zé)在讀寫器和標(biāo)簽之間傳遞射頻信號(hào)，讀寫器通過天線在一定頻率中發(fā)射信號(hào)，掃描到標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽天線從輻射場中獲取對(duì)應(yīng)的命令并做出處理，使得天線可以發(fā)送自身編碼等應(yīng)答信息。

2.傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳感器是物質(zhì)世界的感覺器官，可以通過聲、光、電、物體移動(dòng)等信號(hào)來感知物體，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)收集、傳輸、分析和反饋提供基礎(chǔ)信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括傳感單元、通信單元、處理單元，在水環(huán)境監(jiān)測站和相關(guān)設(shè)備上布置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)感知監(jiān)測區(qū)域的水環(huán)境信息，并將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制管理中心，以便控制管理中心獲取信息，并可藉由網(wǎng)絡(luò)通過傳感器來操控和管理監(jiān)測設(shè)備。

3.GIS 技術(shù)

GIS技術(shù)是以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)提供空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。通過GIS技術(shù)，可以為基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)打造基礎(chǔ)的地理空間數(shù)據(jù)平臺(tái)，將水環(huán)境監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)組成單元集合到一個(gè)統(tǒng)一的空間分析系統(tǒng)中，以便快速對(duì)水文自動(dòng)監(jiān)測站、排污口等進(jìn)行定位、追蹤和控制，同時(shí)可以直觀、生動(dòng)地顯示特定區(qū)域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量狀況，物聯(lián)設(shè)備的屬性信息、空間分布以及最新數(shù)據(jù)等，籍此可對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量與監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行內(nèi)在關(guān)系分析和判定。

五、結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器、射頻和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用性相對(duì)之前得到了拓展，監(jiān)測的精準(zhǔn)性和設(shè)備的可靠性都得到了極大提高，也推動(dòng)了水環(huán)境監(jiān)測的自動(dòng)化和智慧化進(jìn)程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)地理?xiàng)l件限制少，組網(wǎng)靈活，可以通過布設(shè)傳感器來滿足特定區(qū)域水環(huán)境數(shù)據(jù)的在線遠(yuǎn)程監(jiān)測，對(duì)于獲取水文數(shù)據(jù)和監(jiān)測預(yù)警水污染事件具有極大意義，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心也將隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步迎來更廣闊的發(fā)展空間