CN109828095A - 一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法，基于水质监测站和远程监控点实现。水质监测站包括一个数据采集与处理系统、一个传感器组和一个太阳能电源监测系统，传感器组包括至少一个支持RS485接口的传感器。远程监控点包括水质监测软件系统和水质信息数据库。数据采集与处理系统通过RS485接口和电线与传感器组连接进行通信，并将水质信息通过物联网传输至远程监控点。远程监控点可通过物联网与数据采集与处理系统进行信息交互，实现数据采集与处理系统的远程控制。本发明可以解决水源地多状态(无冰封状态、冰封状态前后及冰封期)下水质参数的监测问题，可确保水质数据存储的安全性、传输的稳定性并具有一定的数据分析监测功能。
Description
技术领域
本发明属于水质监测技术领域，涉及到一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法。
背景技术
水是人类生命之源，人类的生活和生产活动都离不开水。随着社会的飞速发展，水质污染问题也伴随着经济的发展越来越严重并且已发展成为人们日益关注的突出问题。针对日益严重的水资源污染问题，水库的现代化、智能化建设改造需求，也愈加迫切，这也就使得智能化水质监测成为了目前水资源保护的主要途径和必要方法。
现有的水质监测方法主要还停留在现场人工取样，后期将水样带回实验室进行分析的方法，这种方式不仅工作量大、费时费力，而且检测的结果具有一定的滞后性。除此之外，目前也有一些利用便携式电子测量装置进行水质监测的方法出现，其主要分为以下两种形式，一种是可移动的水质监测装置，例如，张能等的专利《一体化多参数水质在线监测装置及其控制方法》中公开了一种一体化多参数水质在线监测装置，能够支持多种参数同时在线检测，但这种方式需要人工前往采样点进行操作、获取数据，浪费人力资源，且无法获得长期连续变化的水质参数。另一种是固定在水体附近的水质监测装置，利用此种装置进行水质监测时需要专人定期进行采集、记录或通过无线方式将数据发送至监控中心。例如，唐宏朝等的专利《水质在线监测方法及监测系统》中公开了一种水质在线监测方法及监测系统，通过设定两种检测模式提高了结果的准确性；王和平等的专利《水质远程在线监测方法》中提供了一种水质远程在线监测方法，解决了水质监测设备电力不足的问题；蒙宏铅的专利《一种水质实时在线监测系统》提供了一种水质在线实时监测系统，可在远程监控中心获得水质数据，并提出了一种延迟装置寿命的方法。装置安装现场专人定期维护浪费人力物力，而通过无线方式将数据发送至监控中心的方法大大降低了人力物力成本。但现有研究中的固定在水体附近的水质监测装置只能在水源地无冰封状态下进行水质监测，无法实现水源地冰封状态前后及冰封期的水质监测，且目前远程监控中心只涉及到对数据的采集，这一过程中如何确保数据的安全存储和稳定传输以及对所采集数据的分析监测还需进一步研究。
针对上述现有技术的不足，目前迫切需要一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法，实现水源地水质的全时域多状态连续、自动、实时监测，确保数据存储的安全性、传输的稳定性及控制的可靠性，并实现一定的数据分析监测功能，保证水质监测的时效性，节省人力物力资源。
发明内容
本发明旨在解决现有水质监测系统数据监测方法存在的水质数据易缺失、传输稳定性差、数据分析困难问题，提供一种在水源地特殊环境中，能够连续、自动、实时采集多种水质参数，并实现数据存储、无线传输及远程控制的数据监测方法。此方法可解决水源地特殊环境中水质监测问题，且不会对水源地造成污染和生态破坏。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法，该方法基于由水质监测站1和远程监控点2构成的水质监测系统实现。
所述的水质监测站1包括一个数据采集与处理系统3、一个传感器组4和一个太阳能电源监测系统5。所述的传感器组4包括至少一个支持RS485接口3-5的传感器(包括但不限于压力传感器3-1、温度传感器3-2、溶解氧传感器3-3、ph值传感器3-4)，且支持扩展，最多可支持50个支持RS485接口3-5的传感器。传感器组4与数据采集与处理系统3之间通过RS485接口3-5和电线进行连接。所述的数据采集与处理系统3将采集的水质信息进行存储，并通过物联网与远程监控点2进行连接。所述的远程监控点2通过物联网可以与数据采集与处理系统3进行信息交互，实现数据采集与处理系统3的远程控制。所述太阳能电源监测系统5对数据采集与处理系统3和传感器组4进行供电。
所述的远程监控点2包括水质监测软件系统2-1和水质信息数据库2-2。所述的水质监测软件系统2-1采用C#三层架构在Winform模式下开发，支持简化的、基于组件的设计、开发模型。所述的水质监测软件系统2-1包括网络配置模块2-3、数据接收模块2-4、指令发送模块2-5、数据监测模块2-6、数据导出模块2-7、数据备份和还原模块2-8。所述的网络配置模块2-3可修改和配置远程监控点2的IP地址和端口信息。所述的数据接收模块2-4用于接收数据采集与处理系统3通过物联网发送的水质信息。所述的指令发送模块2-5可以输入控制指令并可通过物联网发送至数据采集与处理系统3，从而实现数据采集与处理系统3的远程控制。所述的数据监测模块2-6可生成水质信息报表，并可对数据进行增、删、改、查操作。所述的数据导出模块2-7可将水质信息报表导出到Excel文件。所述的数据备份和还原模块2-8可对水质信息数据库2-2进行备份和还原操作。所述的水质信息数据库2-2采用SQLSERVER数据库，用于存储水质信息。
所述的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法在水源地特殊环境中，能够连续、自动、实时采集多种水质参数，并实现数据存储、无线传输及远程控制，且不会对水源地造成污染和生态破坏。具体包括以下步骤：
步骤1：根据水源地水域的具体情形，选择合适的水质监测站1投放位置，水质监测站1的位置可根据水域的具体情形进行调整。
步骤2：在选定的位置投放水质监测站1：先将数据采集与处理系统3和太阳能电源监测系统5固定漂浮在水面或冰面上，再将水质传感器(包括但不限于压力传感器3-1、温度传感器3-2、溶解氧传感器3-3、ph值传感器3-4，总数最多为50个)构成传感器组4进行投放。
步骤3：启动太阳能电源监测系统5对数据采集与处理系统3和传感器组4进行供电。
步骤4：配置数据采集与处理系统3的网络信息；设置数据采集与处理系统3的采样间隔。启动数据采集与处理系统3进入自动工作状态：
当数据采集与处理系统3达到采样时间时，数据采集与处理系统3向传感器组4发送数据读取指令，传感器组4接收到数据读取指令后向数据采集与处理系统3返回水质信息。数据采集与处理系统3首先对读取的水质信息进行格式验证和数据处理，保留水质信息的有效位，删除冗余信息，然后创建文件，创建文件时文件名采用递增的方式命名，防止新建文件与已有文件重名，从而避免写入文件内容时覆盖原有文件，最后将水质信息写入所创建文件并进行保存。数据采集与处理系统3文件名采用递增的方式命名，水质信息不断写入最新创建的文件中，可确保水质信息无覆盖无丢失，且数据采集与处理系统3支持海量数据存储，以10分钟采样间隔计算，数据采集与处理系统3可保存连续30年的水质信息。
当数据采集与处理系统3未达到采样时间时，数据采集与处理系统3等待网络配置模块2-3的连接请求，直到接收到连接请求后会与网络配置模块2-3通过物联网进行连接。数据采集与处理系统3与网络配置模块2-3连接成功后，数据采集与处理系统3与水质监测软件系统2-1进行通讯，当采集与处理系统3接收到水质监测软件系统2-1的指令发送模块2-5的控制指令时，采集与处理系统3对控制指令进行解析，首先判断该控制指令是否为数据读取指令，若控制指令为数据读取指令，采集与处理系统3根据解析出的文件名读取文件中的水质信息，并将水质信息通过物联网发送至水质监测软件系统2-1的数据接收模块2-4；若控制指令为数据删除指令，采集与处理系统3根据解析出的文件名删除该文件及文件中的水质信息。
步骤5：水质监测站1运行一段时间后，启动远程监控点2的水质监测软件系统2-1和水质信息数据库2-2。打开水质监测软件系统2-1的网络配置模块2-3，配置网络信息并启动远程连接。数据采集与处理系统3与网络配置模块2-3连接成功后，水质监测软件系统2-1的数据接收模块2-4会出现远程连接成功提示，然后水质监测软件系统2-1的指令发送模块2-5会进入自动工作模式：
水质监测软件系统2-1通过系统时间判断数据采集与处理系统3是否处于采样时间，若判断结果为是，指令发送模块2-5不会自动发送任何控制指令到数据采集与处理系统3，直到数据采集与处理系统3采样时间结束；若判断结果为否，指令发送模块2-5会自动发送控制指令(数据读取指令)到数据采集与处理系统3，并等待数据采集与处理系统3返回水质信息。数据接收模块2-4每接收到一条水质信息时会通过判断传输过程是否存在干扰实现自动校验水质信息的正确性，若水质传输过程存在干扰，则指令发送模块2-5会自动重发控制指令(数据读取指令)到数据采集与处理系统3，这一操作可以防止传输干扰；，若水质传输过程不存在干扰，数据接收模块2-4会对接收的水质信息进行解析，将处理后的水质信息保存到水质信息数据库2-2中进行永久保存。然后，指令发送模块2-5会自动发送一条控制指令(数据删除指令)控制数据采集与处理系统3删除比当前读取文件创建早12小时的文件。指令发送模块2-5采用控制指令文件名递增的方式读取和删除控制数据采集与处理系统3的文件及水质信息，可保证读取的水质信息是非重复的，同时可删除已读取的文件及水质信息，防止数据采集与处理系统3中存在多余的文件及水质信息。
步骤6：在数据接收模块2-4完成水质信息采集时会出现数据接收完毕提示，关闭网络配置模块2-3，断开网络配置模块2-3与数据采集与处理系统3的连接。
步骤7：打开水质监测软件系统2-1的数据监测模块2-6，可生成水质信息报表，并可对数据进行增、删、改、查操作。打开水质监测软件系统2-1的数据导出模块2-7，可将水质信息报表导出到Excel文件。打开水质监测软件系统2-1的数据备份和还原模块2-8可对水质信息数据库2-2进行备份和还原操作。
该数据监测方法能实现在远程监控点2无线获取水质监测站1采集的水质信息，并可保证数据无缺失、传输稳定可靠。水质监测软件系统2-1和水质信息数据库2-2可实现水质信息的信息化、智能化监测。
本发明的益处与优点在于：
可对水源地全时域多状态的水质信息进行自动监测，并可确保数据存储的安全性、传输的稳定性及控制的可靠性。科研人员可在远程监控点2对水质信息进行查看和监测，节省人力物力成本，同时提高水质监测的信息化、智能化水平；传感器组4模块化设计，方便进行扩展和更换，可获取多种水质信息；传感器组4直接投入水中，无需取水到实验桶进行监测，不会对水源地造成污染和生态破坏。
附图说明
图1是基于物联网的水质监测系统原理图。
图2是远程监控点的组成原理图。
图3是传感器组的组成原理图。
图4是数据采集与处理系统数据存储、无线传输程序流程图。
图5是水质监测软件系统数据无线传输及远程控制程序流程图。
图中1水质监测站；2远程监控点；3数据采集与处理系统；4传感器组；5太阳能电源监测系统；2-1水质监测软件系统；2-2水质信息数据库；2-3网络配置模块；2-4数据接收模块；2-5指令发送模块；2-6数据监测模块；2-7数据导出模块；2-8数据备份和还原模块；3-1压力传感器；3-2温度传感器；3-3溶解氧传感器；3-4ph值传感器；3-5RS485接口。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种基于物联网的水质监测系统数据存储、传输及远程控制方法，包括以下步骤：
(1)根据水源地水域的具体情形，选择一个合适的水质监测站1投放位置。
(2)在选定的位置投放水质监测站1：先将数据采集与处理系统3和太阳能电源监测系统5固定漂浮在水面或冰面上，再将压力传感器3-1、温度传感器3-2、溶解氧传感器3-3、ph值传感器3-4构成一个传感器组4进行投放。
(3)启动太阳能电源监测系统5对数据采集与处理系统3和传感器组4进行供电。
(4)配置数据采集与处理系统3的网络信息；设置数据采集与处理系统3的采样间隔。启动数据采集与处理系统3进入自动工作状态：
当数据采集与处理系统3达到采样时间时，数据采集与处理系统3向传感器组4发送数据读取指令，传感器组4接收到数据读取指令后向数据采集与处理系统3返回水质信息。数据采集与处理系统3首先对读取的水质信息进行格式验证和数据处理，保留水质信息的有效位，删除冗余信息，然后创建文件，创建文件时文件名采用递增的方式命名，防止新建文件与已有文件重名，从而避免写入文件内容时覆盖原有文件，最后将水质信息写入所创建文件并进行保存。数据采集与处理系统3文件名采用递增的方式命名，水质信息不断写入最新创建的文件中，可确保水质信息无覆盖无丢失，且数据采集与处理系统3支持海量数据存储，以10分钟采样间隔计算，数据采集与处理系统3可保存连续30年的水质信息。
当数据采集与处理系统3未达到采样时间时，数据采集与处理系统3等待网络配置模块2-3的连接请求，直到接收到连接请求后会与网络配置模块2-3通过物联网进行连接。数据采集与处理系统3与网络配置模块2-3连接成功后，数据采集与处理系统3与水质监测软件系统2-1进行通讯，当采集与处理系统3接收到水质监测软件系统2-1的指令发送模块2-5的控制指令时，采集与处理系统3对控制指令进行解析，首先判断该控制指令是否为数据读取指令，若控制指令为数据读取指令，采集与处理系统3根据解析出的文件名读取文件中的水质信息，并将水质信息通过物联网发送至水质监测软件系统2-1的数据接收模块2-4；若控制指令为数据删除指令，采集与处理系统3根据解析出的文件名删除该文件及文件中的水质信息。
(5)水质监测站1运行一段时间后，启动远程监控点2的水质监测软件系统2-1和水质信息数据库2-2。打开水质监测软件系统2-1的网络配置模块2-3，配置网络信息并启动远程连接。数据采集与处理系统3与网络配置模块2-3连接成功后，水质监测软件系统2-1的数据接收模块2-4会出现远程连接成功提示，然后水质监测软件系统2-1的指令发送模块2-5会进入自动工作模式：
水质监测软件系统2-1通过系统时间判断数据采集与处理系统3是否处于采样时间，若判断结果为是，指令发送模块2-5不会自动发送任何控制指令到数据采集与处理系统3，直到数据采集与处理系统3采样时间结束；若判断结果为否，指令发送模块2-5会自动发送控制指令(数据读取指令)到数据采集与处理系统3，并等待数据采集与处理系统3返回水质信息。数据接收模块2-4每接收到一条水质信息时会通过判断传输过程是否存在干扰实现自动校验水质信息的正确性，若水质传输过程存在干扰，则指令发送模块2-5会自动重发控制指令(数据读取指令)到数据采集与处理系统3，这一操作可以防止传输干扰；，若水质传输过程不存在干扰，数据接收模块2-4会对接收的水质信息进行解析，将处理后的水质信息保存到水质信息数据库2-2中进行永久保存。然后，指令发送模块2-5会自动发送一条控制指令(数据删除指令)控制数据采集与处理系统3删除比当前读取文件创建早12小时的文件。指令发送模块2-5采用控制指令文件名递增的方式读取和删除控制数据采集与处理系统3的文件及水质信息，可保证读取的水质信息是非重复的，同时可删除已读取的文件及水质信息，防止数据采集与处理系统3中存在多余的文件及水质信息。
(6)在数据接收模块2-4完成水质信息采集时会出现数据接收完毕提示，关闭网络配置模块2-3，断开网络配置模块2-3与数据采集与处理系统3的连接。
(7)打开水质监测软件系统2-1的数据监测模块2-6，可生成水质信息报表，并可对数据进行增、删、改、查操作。打开水质监测软件系统2-1的数据导出模块2-7，可将水质信息报表导出到Excel文件。打开水质监测软件系统2-1的数据备份和还原模块2-8可对水质信息数据库2-2进行备份和还原操作。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于物联网的水质监测系统数据存储、无线传输及远程控制方法，其特征在于，该方法基于由水质监测站(1)和远程监控点(2)构成的水质监测系统实现，能够在远程监控点(2)无线获取水质监测站(1)采集的水质信息，并能够保证数据无缺失；
所述的水质监测站(1)包括一个数据采集与处理系统(3)、一个传感器组(4)和一个太阳能电源管理系统(5)；所述的传感器组(4)包括至少一个支持RS485接口(3-5)的传感器，且支持扩展；传感器组(4)与数据采集与处理系统(3)之间通过RS485接口(3-5)和电线进行通信连接；所述的数据采集与处理系统(3)用于存储采集的水质信息并通过物联网与远程监控点(2)进行信息交互，实现数据采集与处理系统(3)的远程控制；所述太阳能电源管理系统(5)对数据采集与处理系统(3)和传感器组(4)进行供电；所述的远程监控点(2)包括水质监测软件系统(2-1)和水质信息数据库(2-2)，水质监测软件系统(2-1)包括网络配置模块(2-3)、数据接收模块(2-4)、指令发送模块(2-5)、数据管理模块(2-6)、数据导出模块(2-7)、数据备份和还原模块(2-8)；
所述的水质监测系统数据自动、实时监测方法包括以下步骤：
步骤1：根据水源地水域的具体情形，选择合适的水质监测站(1)投放位置，水质监测站(1)的位置根据水域的具体情形进行调整；
步骤2：在选定的位置投放水质监测站(1)：先将数据采集与处理系统(3)和太阳能电源监测系统5固定漂浮在水面或冰面上，再将水质传感器构成传感器组(4)进行投放；
步骤3：启动太阳能电源监测系统5对数据采集与处理系统(3)、传感器组(4)进行供电；
步骤4：配置数据采集与处理系统(3)的网络信息；设置数据采集与处理系统(3)的采样间隔；启动数据采集与处理系统(3)进入自动工作状态：
当数据采集与处理系统(3)达到采样时间时，数据采集与处理系统(3)向传感器组(4)发送数据读取指令，传感器组(4)接收到数据读取指令后向数据采集与处理系统(3)返回水质信息；数据采集与处理系统(3)首先对读取的水质信息进行格式验证和数据处理，保留水质信息的有效位，删除冗余信息，然后创建文件，创建文件时文件名采用递增的方式命名，避免写入文件内容时覆盖原有文件，最后将水质信息写入所创建文件并进行保存，确保水质信息无覆盖无丢失；
当数据采集与处理系统(3)未达到采样时间时，数据采集与处理系统(3)等待网络配置模块(2-3)的连接请求，直到接收到连接请求后与网络配置模块(2-3)通过物联网进行连接；数据采集与处理系统(3)与网络配置模块(2-3)连接成功后，数据采集与处理系统(3)与水质监测软件系统(2-1)通讯，当采集与处理系统(3)接收到指令发送模块(2-5)的控制指令时，采集与处理系统(3)对控制指令进行解析：首先判断该控制指令是否为数据读取指令，若控制指令为数据读取指令，采集与处理系统(3)根据解析出的文件名读取文件中的水质信息，并将水质信息通过物联网发送至水质监测软件系统(2-1)的数据接收模块(2-4)；若控制指令为数据删除指令，采集与处理系统(3)根据解析出的文件名删除该文件及文件中的水质信息；
步骤5：水质监测站(1)运行一段时间后，启动远程监控点(2)的水质监测软件系统(2-1)和水质信息数据库(2-2)；打开水质监测软件系统(2-1)的网络配置模块(2-3)，配置网络信息并启动远程连接；数据采集与处理系统(3)与网络配置模块(2-3)连接成功后，水质监测软件系统(2-1)的数据接收模块(2-4)出现远程连接成功提示，然后水质监测软件系统(2-1)的指令发送模块(2-5)进入自动工作模式：
水质监测软件系统(2-1)通过系统时间判断数据采集与处理系统(3)是否处于采样时间：若判断结果为是，指令发送模块(2-5)不自动发送任何控制指令到数据采集与处理系统(3)，直到数据采集与处理系统(3)采样时间结束；若判断结果为否，指令发送模块(2-5)自动发送控制指令到数据采集与处理系统(3)，并等待数据采集与处理系统(3)返回水质信息；数据接收模块(2-4)每接收到一条水质信息时通过判断传输过程是否存在干扰实现自动校验水质信息的正确性：若水质传输过程存在干扰，则指令发送模块(2-5)自动重发控制指令到数据采集与处理系统(3)，防止传输干扰；若水质传输过程不存在干扰，数据接收模块(2-4)对接收的水质信息进行解析，将处理后的水质信息保存到水质信息数据库(2-2)中进行永久保存；然后，指令发送模块(2-5)自动发送一条控制指令控制数据采集与处理系统(3)删除比当前读取文件创建早12小时的文件；指令发送模块(2-5)采用控制指令文件名递增的方式读取和删除控制数据采集与处理系统(3)的文件及水质信息，保证读取的水质信息是非重复的，同时可删除已读取的文件及水质信息，防止数据采集与处理系统(3)中存在多余的文件及水质信息；
步骤6：在数据接收模块(2-4)完成水质信息采集时出现数据接收完毕提示，关闭网络配置模块(2-3)，断开网络配置模块(2-3)与数据采集与处理系统(3)的连接；
步骤7：打开数据监测模块(2-6)，生成水质信息报表，并对数据进行增、删、改、查操作；打开数据导出模块(2-7)，将水质信息报表导出到Excel文件；打开数据备份和还原模块(2-8)对水质信息数据库(2-2)进行备份和还原操作。
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2019
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