CN109521747B - 一种基于物联网的实时水质监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的实时水质监测系统和方法，所述方法应用于信息控制中心设备、监测装置和无人设备，所述信息控制中心设备、所述监测装置和所述无人设备之间均通过通信连接，包括：所述信息控制中心设备发送第一指令至无人设备，所述无人设备夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；所述信息控制中心设备发送第二指令至监测装置，所述监测装置检测第一水域的水质，并生成对应所述第一水域水质的第一水质数据；所述监测装置发送第一水质数据至信息控制中心设备，所述信息控制中心设备接收并处理所述第一水质数据。

Description

一种基于物联网的实时水质监测系统和方法

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种基于物联网的实时水质监测系统和方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展及工业化和城市化进程的加快，水资源污染问题日益严重，已经对人类生存环境构成极大威胁。基于“预防为主，防治结合”的治污理念，我们不仅要在水质污染后进行污染治理，更为重要的是做到对水质的实时监测，及时了解水质的情况，确保水质安全，避免水质收到不可挽回的污染。

目前，水质监测方案主要有以下几种：一、采用实验室的传统分析方式，如分光光度法，液相色谱法等。这需要人员先去目的地进行采样，然后运送会实验室使用专用设备进行分析，不但效率低成本高，还不能保证检测结果的实时性。二、采用便携式监测仪人工检测。这种方式虽然不用运输水样，但需要人员具有一定的专业素养，且不能反映水环境的动态变化。三、采用大型自动监测系统，包含监控中心和若干监控子站，能够实现连续自动监测并远程传输数据，然而因为监测点固定所以监测范围有限，监控站的建设和通讯电缆的铺设也需要大量的成本。

发明内容

本发明提供一种基于物联网的实时水质监测系统和方法，能够实时监测水质变化。

本发明一方面提供一种基于物联网的实时水质监测方法，所述方法应用于信息控制中心设备、监测装置和无人设备，所述信息控制中心设备、所述监测装置和所述无人设备之间均通过通信连接，包括：所述信息控制中心设备发送第一指令至无人设备，所述无人设备夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；所述信息控制中心设备发送第二指令至监测装置，所述监测装置检测第一水域的水质，并生成对应所述第一水域水质的第一水质数据；所述监测装置发送第一水质数据至信息控制中心设备，所述信息控制中心设备接收并处理所述第一水质数据。

在一种可实施方式中，所述方法还包括，所述信息控制中心设备通定位系统定位所述监测装置所在的第一位置；所述信息控制中心设备发送第三指令至无人设备，所述无人设备搜寻所述监测装置；所述无人设备移动至第一位置并抓取监测装置，并将所述监测装置移动至第二位置。

在一种可实施方式中，所述方法还包括，所述监测装置检测电池舱电量是否低于阈值；如果所述监测装置检测到所述电池舱电量低于阈值，所述监测装置发送第四指令至所述信息控制中心设备；所述信息控制中心设备发送第五指令至无人设备，所述无人设备抓取所述监测装置并移动至第三位置。

在一种可实施方式中，所述方法还包括，所述信息控制处理中心设备将处理的所述第一水质数据发送至移动监控端。

在一种可实施方式中，所述无人设备夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；具体为：所述无人设备接收所述第一指令，移动至监测装置位置并夹持位于所述位置上的监测装置；所述夹持监测装置的无人设备移动至第一水域，并解除夹持。

本发明另一方面提供一种基于物联网的实时水质监测系统，所述系统包括信息控制中心设备、监测装置和无人设备，所述信息控制中心设备、所述监测装置和所述无人设备之间均通过通信连接，其中：所述信息控制中心设备包括：指令发送模块，用于发送第一指令至无人设备；所述指令发送模块，进一步用于发送第二指令至监测装置；接收处理模块，用于接收并处理所述第一水质数据；所述无人设备包括：移动夹持模块，用于夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；所述监测装置包括：检测生成模块，用于检测第一水域的水质，并生成对应所述第一水域水质的第一水质数据；数据发送模块，用于发送第一水质数据至信息控制中心设备。

在一种可实施方式中，所述信息控制中心设备还包括：定位模块，用于通过定位系统定位所述监测装置所在的第一位置；所述指令发送模块，进一步用于发送第三指令至无人设备；所述无人设备还包括：搜寻模块，用于搜寻所述监测装置；所述移动夹持模块，进一步用于移动至第一位置并抓取监测装置，并将所述监测装置移动至第二位置。

在一种可实施方式中，所述监测装置还包括：电量检测模块，用于检测电池舱电量是否低于阈值；检测发送模块，用于如果检测到所述电池舱电量低于阈值，发送第四指令至所述信息控制中心设备；所述信息控制中心设备还包括：所述指令发送模块，进一步用于发送第五指令至无人设备；所述无人设备还包括：所述移动夹持模块，进一步用于抓取所述监测装置并移动至第三位置。

在一种可实施方式中，所述信息控制中心设备还包括：处理发送模块，用于将处理的所述第一水质数据发送至移动监控端。

在一种可实施方式中，所述移动夹持模块包括，指令接收单元，用于接收所述第一指令；移动夹持单元，用于移动至所述监测装置位置并夹持位于所述位置上的监测装置；移动解除单元，用于夹持所述监测装置移动至第一水域，并解除夹持。

本发明实施例提供的物联网的实时水质监测系统及方法通过信息控制中心设备、无人设备和监测装置的配合，能够通过无人机将监测装置投放到通过人工难以接近的偏远水域，节省了大量的人工成本，且能够对水域进行实时监测，使检测结果更有的实时性。

附图说明

图1示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的网络拓扑图；

图2示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的整体流程图；

图3示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的部分流程图；

图4示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测系统的整体结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的网络拓扑图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于物联网的实时水质监测方法，包括有一信息控制中心设备101、若干无人设备103和若干监测装置102。信息控制中心设备101、监测装置102和无人设备103之间均通过通信连接。其中，信息控制中心设备101可以选择为云服务器。监测装置102的数量可根据需要实际需要监测的水域大小和需要监测的水域密度进行调整。如一种实施例中，需要进行水质监测的水域面积为50m²，根据需要判断监测装置的投放密度为每10m²投放1个，则可选择在该水域面积中投放5个或多于/少于5个监测装置102。进一步的，无人设备103的选择也可以根据实际情况进行判定，当需要将监测装置102投放到深山中时，可以选择无人机投放；当监测装置102需要投放当湖泊中时，可选择无人船进行投放；当需要将监测装置102投放到下水道中时，还可以选择无人车进行投放。无人设备103的使用数量可根据工程的实际时间进行调整，在此不做限定。

进一步的，本发明实施例所采用的通信连接可以为无线连接，也可以为有线连接，在此不对通信连接的方式进行限定。但是为了能够完成大范围的、实时的、直观的水质监测，本发明实施例优选采用LoRa或NB-IoT通信技术。为了扩大本发明的通信覆盖面积，本发明实施例可以在水域与信息控制中心设备101之间设置若干数据基站104，以满足数据传输的需要。另外，LoRa和NB-IoT技术相较于现有的其他无线通讯技术，有距离更长，功耗更低，数据更安全的优点，因此，所需数据基站104的密度较低。

本发明实施例还可增加与信息控制中心设备通信连接的移动监控端105。移动监控端105可以是手机或电脑，通过移动监控端105通信连接控制信息控制中心设备101。

在本发明实施例中，当需要对指定水域进行监测时，用户可通过移动监控端105控制信息控制中心设备101向无人设备103发送指令，使无人设备103抓取需要数量的监测装置102并将监测装置102投放在指定水域中。监测装置102通过其水质检测板(设有至少一种传感器件)检测其所在水域的水质，然后将检测结果发送至信息控制中心设备101，通过信息控制中心设备101收集指定水域中多个监测装置102的检测结果，并进行处理后，即可得到指定水域的水质结果。

图2示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的整体流程图。

结合图1和图2，本发明实施例提供一种基于物联网的实时水质监测方法，该方法应用于信息控制中心设备、监测装置和无人设备。

具体的，该方法包括以下步骤：

步骤201，信息控制中心设备发送第一指令至无人设备，无人设备夹持监测装置，并将监测装置移动至第一水域。

步骤202，信息控制中心设备发送第二指令至监测装置，监测装置检测第一水域的水质，并生成对应第一水域水质的第一水质数据。

步骤203，监测装置发送第一水质数据至信息控制中心设备，信息控制中心设备接收并处理第一水质数据。

在本发明实施例中，当需要进行水质监测的时候，在信息控制中心设备上设置需要投放的水域地图和投放量参数，信息控制中心设备根据水域地图和投放量通过计算确定投放位置，并将包含投放位置的第一指令发送至无人设备，无人设备根据第一指令将监测装置投放至第一水域，第一水域即为信息控制中心设备设定的第一位置。当无人设备将所有监测装置投放完毕后，信息控制中心设备发送包含检测水质命令的第二指令至所有监测装置。此时，所有监测装置上的水质检测板均开始工作，进行水质监测，并通过水质检测板得到包含水质监测结果的第一水质数据，然后将第一水质数据发送至信息控制中心设备，由信息控制中心设备整合所有监测装置的监测结果并进行处理后，即可得到指定水域的水质监测结果。

其中，无人设备夹持监测装置，并将监测装置移动至第一水域，具体包括：首先，无人设备接收第一指令，移动至监测装置所在位置并夹持位于对应位置上的监测装置。然后，夹持监测装置的无人设备移动至第一水域，并解除夹持。

无人设备在夹持监测装置时需要知道监测装置的所在位置，为此，无人设备接收的第一指令中，还包括有监测装置的初始位置，无人设备根据第一指令中监测装置的初始位置抓取夹持装置。

当监测装置完成检测工作后，为了避免监测装置留在水域地污染环境。本发明实施例提供的该方法还包括以下步骤：步骤204，信息控制中心设备通过定位系统定位监测装置所在的第一位置。步骤205，信息控制中心设备发送第三指令至无人设备，无人设备搜寻监测装置。步骤206，无人设备移动至第一位置并抓取监测装置，并将监测装置移动至第二位置。其中，定位系统可以是GPS系统，当然也可以是其他成熟的定位系统，本发明不做限制。

当信息控制中心设备收集到足够的检测结果时，即可进行监测装置的回收。当信息控制中心设备需要回收监控装置时，首先通过定位系统定位该需要回收的监测装置的位置，然后将包含监测装置位置的第三指令发送给无人设备，由无人设备移动至该位置将监测装置夹持并带到第二位置，此处的第二位置可以是监测装置的回收处，工作人员可以在此处对监测装置进行检修；第二位置也可以是监测装置的初始位置，直接作为步骤101中的监测装置进行下一轮的水质监测。如此设置，能够对投放的监测装置进行回收，使监测装置可以二次利用，同时还避免了由于监测装置留在水域中导致环境污染。

图3示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测方法的部分流程图。

进一步的，为了避免检测装置没电导致无法使用，本发明实施例提供的方法还包括以下步骤：

步骤301，监测装置检测电池舱电量是否低于阈值。

步骤302，如果监测装置检测到电池舱电量低于阈值，监测装置发送第四指令至信息控制中心设备。

步骤303，信息控制中心设备发送第五指令至无人设备，无人设备抓取监测装置并移动至第三位置。

在监测装置上进行电量检测，此处的电量检测应该为实时监测，当此处的电量检测在步骤101之前时，可以避免无人设备抓取低电量监测装置进行投放。进一步的，电量检测可作为第一指令的优先级，以避免第一指令中包含的初始位置的监测装置为低电量监测装置。当此处的电量检测在步骤102中时，可以避免监测装置电量过低导致无法及时更新水质监测结果数据。

为了方便理解，针对本发明实施例提供的一种基于物联网的实时水质监测方法，对该方法进行进一步的举例描述。如：

当需要对覆盖面积为100m²的山脉水域进行水质监测时，将包含水域的山脉地图输入信息控制中心设备中，根据山脉的实际情况，设定投放密度为每10m²一个监测装置。

监测装置内部都有装有加速度传感器装置，以保持监测装置的浮力和平衡。还装设有温度传感器、pH传感器、浊度传感器和溶氧量传感器以进行水质监测，传感器的探头伸出监测装置并与水体接触以监测水质。每个监测装置还具有不同的ID编码以进行区分。

由于山脉环境复杂，选择无人机进行监测装置的投放。并在山脉的山脚下建设与监测装置、无人设备和信息控制中心设备均采用LoRa技术进行通信连接的基站，以扩大信号传输强度。并选用云服务器作为信息控制中心设备，选择PC端与云服务器通信连接以控制云服务器。

首先，将山脉地图、投放密度通过PC端输入云服务器，云服务器根据山脉地图设定投放点，并通过定位系统定位10个监测装置的初始位置和ID编码，分别生产包含监测装置初始位置和需要投放水域位置的十个第一指令，并将十个第一指令分别发送给十架无人机。

其次，无人机接收第一指令后，根据第一指令移动到监测装置的初始位置并抓取监测装置，移动至需要投放水域位置后投放监测装置，监测装置在加速度传感器装置和重力的作用下半浮在指定水域内，并发送第一指令完成信号至云服务器，无人机返航或者抓取水域中电量不足的监测装置后返航。

然后，云服务器发送第二指令至监测装置，监测装置的传感器的探头与水体接触，传感器通过探头进行检测分别得到水体温度数据、水体pH数据、水体浊度数据和水体溶氧量数据，并将上述数据和ID编码通过基站传输或者直接传输至云服务器。需要注意的是，为了提高水质监测的时效性，监测装置发送至云服务器的数据应该是多组的，即本发明实施例监测装置并非仅仅只监测一组数据后就通过无人设备回收，此处的水质监测结果也非仅仅只有瞬时监测结果。如，监测装置在24小时内每隔一小时进行一次水质检测，并将24小时内共计24组监测结果发送至云服务器。

之后，云服务器接收数据后，云服务器根据所有监测装置发回ID编码和定位系统定位确定数据对应位置的水域水质数据，并通过整体分析得到整体水域的水质结果。此处的分析方式可以根据工作人员的需要自行设定。

最后，云服务器将对应位置的水域水质数据和整体水域的水质结果发送至PC端供工作人员查看。

图4示出了本发明实施例基于物联网的实时水质监测系统的整体结构图。

本发明实施例还提供一种基于物联网的实时水质监测系统，该系统包括信息控制中心设备401、监测装置402和无人设备403，信息控制中心设备401、监测装置402和无人设备403之间均通过通信连接，其中：

信息控制中心设备401包括：指令发送模块4011，用于发送第一指令至无人设备；进一步用于发送第二指令至监测装置。接收处理模块4012，用于接收并处理第一水质数据。

无人设备403包括：移动夹持模块4031，用于夹持监测装置，并将监测装置移动至第一水域。

监测装置402包括：检测生成模块4021，用于检测第一水域的水质，并生成对应第一水域水质的第一水质数据。数据发送模块4022，用于发送第一水质数据至信息控制中心设备401。

在一种可实施方式中，信息控制中心设备401还包括：定位模块4013，用于通过定位系统定位监测装置所在的第一位置。指令发送模块4011，进一步用于发送第三指令至无人设备。无人设备403还包括：搜寻模块4032，用于搜寻监测装置。移动夹持模块4031，进一步用于移动至第一位置并抓取监测装置，并将监测装置移动至第二位置。

在一种可实施方式中，监测装置402还包括：电量检测模块4023，用于检测电池舱电量是否低于阈值。检测发送模块4024，用于如果检测到电池舱电量低于阈值，发送第四指令至信息控制中心设备。信息控制中心设备401还包括：指令发送模块4011，进一步用于发送第五指令至无人设备。无人设备403还包括：移动夹持模块4031，进一步用于抓取监测装置并移动至第三位置。

在一种可实施方式中，信息控制中心设备401还包括：处理发送模块4014，用于将处理的第一水质数据发送至移动监控端。

在一种可实施方式中，移动夹持模块4031包括，指令接收单元40311，用于接收第一指令。移动夹持单元40312，用于移动至监测装置位置并夹持位于位置上的监测装置。移动解除单元40313，用于夹持监测装置移动至第一水域，并解除夹持。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于物联网的实时水质监测方法，其特征在于，所述方法应用于信息控制中心设备、若干监测装置和无人设备，所述信息控制中心设备、所述监测装置和所述无人设备之间均通过通信连接，包括：

所述信息控制中心设备获得需要投放监测装置的水域地图和投放量参数，根据所述水域地图和投放量参数通过计算确定投放位置；

所述信息控制中心设备根据与所述监测装置对应的ID编码、初始位置和投放位置生成第一指令；所述信息控制中心设备发送第一指令至无人设备，所述无人设备夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；

当无人设备将所有监测装置投放完毕后，所述信息控制中心设备发送第二指令至若干监测装置，所述若干监测装置检测第一水域的水质，并生成对应所述第一水域水质的第一水质数据；

所述若干监测装置发送第一水质数据至信息控制中心设备，所述信息控制中心设备接收并整合处理所有所述第一水质数据，得到水质监测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，

所述信息控制中心设备通过定位系统定位所述监测装置所在的第一位置；

所述信息控制中心设备发送第三指令至无人设备，所述无人设备搜寻所述监测装置；

所述无人设备移动至第一位置并抓取监测装置，并将所述监测装置移动至第二位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，

所述监测装置检测电池舱电量是否低于阈值；

如果所述监测装置检测到所述电池舱电量低于阈值，所述监测装置发送第四指令至所述信息控制中心设备；

所述信息控制中心设备发送第五指令至无人设备，所述无人设备抓取所述监测装置并移动至第三位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，所述信息控制处理中心设备将处理的所述第一水质数据发送至移动监控端。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人设备夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；具体为：

所述无人设备接收所述第一指令，移动至监测装置位置并夹持位于所述位置上的监测装置；

所述夹持监测装置的无人设备移动至第一水域，并解除夹持。

6.一种基于物联网的实时水质监测系统，其特征在于，所述系统包括信息控制中心设备、若干监测装置和无人设备，所述信息控制中心设备、所述监测装置和所述无人设备之间均通过通信连接，其中：

所述信息控制中心设备包括：

获得需要投放监测装置的水域地图和投放量参数，根据所述水域地图和投放量参数通过计算确定投放位置；

根据与所述无人设备对应的ID编码、初始位置和投放位置生成第一指令；

指令发送模块，用于发送第一指令至无人设备；

所述指令发送模块，进一步用于当所述无人设备将所有监测装置投放完毕后，发送第二指令至若干监测装置；

接收处理模块，用于接收并整合处理所有第一水质数据，得到水质监测结果；

所述无人设备包括：

移动夹持模块，用于夹持所述监测装置，并将所述监测装置移动至第一水域；

所述监测装置包括：

检测生成模块，用于检测第一水域的水质，并生成对应所述第一水域水质的第一水质数据；

数据发送模块，用于发送第一水质数据至信息控制中心设备。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述信息控制中心设备还包括：

定位模块，用于通过定位系统定位所述监测装置所在的第一位置；

所述指令发送模块，进一步用于发送第三指令至无人设备；

所述无人设备还包括：

搜寻模块，用于搜寻所述监测装置；

所述移动夹持模块，进一步用于移动至第一位置并抓取监测装置，并将所述监测装置移动至第二位置。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述监测装置还包括：

电量检测模块，用于检测电池舱电量是否低于阈值；

检测发送模块，用于如果检测到所述电池舱电量低于阈值，发送第四指令至所述信息控制中心设备；

所述信息控制中心设备还包括：

所述指令发送模块，进一步用于发送第五指令至无人设备；

所述无人设备还包括：

所述移动夹持模块，进一步用于抓取所述监测装置并移动至第三位置。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信息控制中心设备还包括：处理发送模块，用于将处理的所述第一水质数据发送至移动监控端。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述移动夹持模块包括，

指令接收单元，用于接收所述第一指令；

移动夹持单元，用于移动至所述监测装置位置并夹持位于所述位置上的监测装置；

移动解除单元，用于夹持所述监测装置移动至第一水域，并解除夹持。

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