CN110824128A - 基于物联网的水质监测系统与监测方法 - Google Patents

基于物联网的水质监测系统与监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的水质监测系统和监测方法，包括浮动监测设备、固定监测站和后端主处理设备；浮动监测设备中的水质传感器和定位服务模块分别依次连接从CPU处理模块与从Zigbee通讯模块；固定监测站包括依次串联的主Zigbee通讯模块、主CUP处理模块，单片机及单片机GSM模块，单片机连接在线多参数监测器；后端主处理设备包括工控机GSM模块和后端在线处理设备。本发明的监测过程几乎无需人工干涉最大限度的减少了人员维护频率，保证水质监测系统获得现场设备参数及状态的实时性高，系统运行的稳定性能好，监控系统和现场设备的数据传输量大。

Description

基于物联网的水质监测系统与监测方法
技术领域
本发明涉及物联网领域，尤其是一种基于物联网的水质监测系统与监测方法。
背景技术
随着城市人口越来越多，城市辖区面积也逐渐扩张，这使得很多城市都成为了大型城市。其中，很多大型城市的辖区面积都包括湖泊、水库、河流以及渠道，这就使得水质安全问题正在成为大型城市的“心腹之患”。为了确保水质安全，水环境治理领域中的环保设备和环保人员都需完成以下工作：对水质污染情况进行监测，对问题指标加以明确，同时制定处理以及防控措施。常见的一种措施是人工周期性地现场检测或者是异地采样送检，以此完成水质分析。此种方法不单单工作量非常大，随机性也非常大，对于水域或者是水质变化无法做到实时而又精准的监控，水质变化规律难以获取，因为没有可靠依据，处理也不够及时。
同时，随着企业治污设施不断建成和投入运营，数量逐渐增多，有效监管是一个亟待解决的问题。如政府监管人员的数量有限、监管技术手段单一等矛盾凸显，监管缺失风险增大。对于大多数的中小企业污染监管，目前多还是采用飞检、抽检或者通过相关指标（如用电用水等）推断企业的排污来开展工作，这样不但浪费了大量的人力和物力，同时大部分中小污染企业仍然处于监管盲区，经常趁夜间偷偷进行排污以躲过检测，因此无法在造成污染事实之前就有所防范。同时，对于部分企业来说，企业治污技术水平偏低，运营人员难以获得有效技术支持，企业提供节能减排优化方案时缺乏数据支持。
为了高效低成本的解决水污染问题，研究高效、智能化以及网络化的水质检测系统尤为必要。
发明内容
本申请人针对上述现有水质监测系统和监测方法的工作量大、随机性大，监控时效性、精准性不高、水质变化规律难以获取的缺点，提供一种结构合理的基于物联网的水质监测系统与监测方法，自动化监测，随机性小，实现实时且精准的监控。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于物联网的水质监测系统，包括浮动监测设备、固定监测站和后端主处理设备；其中，
浮动监测设备中的水质传感器和定位服务模块分别依次连接从CPU处理模块与从Zigbee通讯模块，从CUP处理模块通过水质传感器采集水质信息，定位服务模块采集位置信息，再通过从Zigbee通讯模块将水质信息和位置信息发送至固定监测站；
固定监测站包括依次串联的主Zigbee通讯模块、主CUP处理模块，单片机及单片机GSM模块，单片机连接在线多参数监测器，在线多参数监测器采集水质信息，并将水质信息传输至单片机，主CUP处理模块实时接收信息、进行数据精度校正和解析处理，再将位置信息和水质信息发送至单片机；单片机将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络发送至后端主处理设备；
后端主处理设备包括工控机GSM模块和后端在线处理设备。
作为上述技术方案的进一步改进：
浮动监测设备还包括密封的塑料或硅胶外壳，水质传感器的探针裸露在浮动监测设备的外壳外部并没于水中，定位服务模块、从CPU处理模块与从Zigbee通讯模块均设置在外壳内。
定位服务模块采用北斗定位模块和/或GPS定位模块获取浮动监测设备当前所处的位置信息；浮动监测设备通过锂电池或太阳能板提供电源。
一种使用上述基于物联网的水质监测系统的监测方法，包括以下步骤：
a）、在待监测的水域布设多个浮动监测设备；
b）、在待监测水域设置固定监测站；
c）、浮动监测设备的从CPU处理模块实时通过定位服务模块采集位置信息，并通过水质传感器采集水质信息，再通过从Zigbee通讯模块进行上传；
d）、固定监测站的在线多参数监测器采集固定监测站所处的固定点的水质信息，主CPU处理模块接收监测范围内的已绑定的多个浮动监测设备发送的水质信息和位置信息，再将水质信息和位置信息进行数据精度校正和解析处理，并通过格式转换后通过发送至单片机，单片机将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络发送至后端主处理设备；
e）、后端主处理设备接收水质比较结果、水质信息和对应的位置信息，分析每个浮动监测设备的移动轨迹以及当前位置的水质情况，并将水质比较结果超标的浮动监测设备或者固定监测站的位置在电子地图上定位显示。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤c）中，浮动监测设备自动发送绑定请求，固定监测站收到请求之后会作出响应，并进行绑定操作；若附近未能找固定监测站，那么浮动监测设备会继续搜索，且搜索会呈现出周期性，直到成功绑定之后，水质信息和位置信息会周期性地传输至固定监测站；一旦固定监测站未能给出应答，或是浮动监测设备未能收到应答，那么浮动监测设备的绑定就会自行解除，同时重复上述找寻及绑定操作。
在步骤d）中，每个浮动监测设备上传水质信息和位置信息的时间t&lt；200ms，水质信息和位置信息的数据长度为40字节，每分钟可以上传水质信息和位置信息总数为300个；同一个固定监测站范围内包含的浮动监测设备的个数为n（n&lt；1000），每个浮动监测设备的采集设置周期T&gt；n/300分钟，所有浮动监测设备通过北斗或GPS统一校时，每个小时的60分钟分成若干个周期T，在每个周期T内按照间隔200ms分配对应的浮动监测设备进行数据上传。
本发明的有益效果如下：
本发明通过浮动监测设备采集到的水质信息和位置信息由CPU处理模块向主机进行反馈，浮动监测设备的监测结果和固定监测站的监测结果通过单片机进行数据处理后，再由GSM 网络传给后端主处理设备，监测过程几乎无需人工干涉最大限度的减少了人员维护频率，保证水质监测系统获得现场设备参数及状态的实时性高，系统运行的稳定性能好，监控系统和现场设备的数据传输量大。
本发明的浮动监测设备通过绑定操作，保证其随水流漂离原地后，仍可以绑定Zigbee通讯距离内的其他固定监测站，进行水质信息采集和传送，提高浮动监测设备的利用率，保证数据有效传输。
本发明通过设置每个浮动监测设备在不同的固定的时间点上传数据，有效避免上传数据的碰撞问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的浮动监测设备的运行流程图。
图3为本发明的数据防碰撞流程图。
图中：1、浮动监测设备；2、水质传感器；3、定位服务模块；4、从CPU处理模块；5、从Zigbee通讯模块；6、固定监测站；7、主Zigbee通讯模块；8、主CPU处理模块；9、单片机；10、单片机GSM模块；11、在线多参数监测器；12、GSM网络；13、后端主处理设备；14、工控机GSM模块；15、后端在线处理设备。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明具有多个浮动监测设备1、若干固定监测站6和后端主处理设备13。浮动监测设备1的数量可多达上千个且布设于企业排水渠道、饮用水水源地、湖泊中间面以及河湖断面等场所，浮动监测设备1中的水质传感器2和定位服务模块3分别依次连接从CPU处理模块4与从Zigbee通讯模块5，从CUP处理模块通过水质传感器2实时采集包括总氮、温度、PH值、温度或溶解氧等参数的水质信息，同时通过定位服务模块3实时采集位置信息，再通过从Zigbee通讯模块5将采集到的水质信息和位置信息发送至固定监测站6。浮动监测设备1还包括密封的塑料或硅胶外壳，水质传感器2的探针裸露在浮动监测设备1的外壳外部并没于水中，定位服务模块3、从CPU处理模块4与从Zigbee通讯模块5均设置在外壳内；定位服务模块3采用北斗定位模块和/或GPS定位模块获取浮动监测设备1当前所处的位置信息；浮动监测设备1通过锂电池或太阳能板提供电源。
若干固定监测站6布设于污染源监控点、河流断面以及行政交接点等场所。固定监测站6包括依次串联的主Zigbee通讯模块7、主CPU处理模块8，单片机9及单片机GSM模块10，单片机9连接在线多参数监测器11。在线多参数监测器11对固定监测站6所处的固定点进行水质监测，在线多参数监测器11的传感器的量程宽、参数也多，可用于监测浊度、溶解氧、深度、硝酸根离子、环境光、温度、PH值、绿藻、电导率、铵/氨离子、总溶解气体或ORP等水质信息，并将水质信息传输至单片机9。单个主Zigbee通讯模块7可以连接不同频率段的从Zigbee通讯模块5实现多路信道同时采集，主CPU处理模块8实时接收浮动监测设备1输出的位置信息和水质信息，进行数据精度校正和解析处理，并通过格式转换，将位置信息和水质信息发送至单片机9；单片机9将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络12发送至后端主处理设备13。
后端主处理设备13包括工控机GSM模块14和后端在线处理设备15。后端在线处理设备15通过工控机GSM模块14所接收的水质比较结果、水质信息和对应的位置信息，分析每个浮动监测设备1的移动轨迹以及当前位置的水质情况，并将水质比较结果超标的浮动监测设备1的位置在电子地图上定位显示。由后台的监测中心做出对应的水质处理。通过浮动监测设备采集到的水质信息和位置信息由CPU处理模块向主机进行反馈，浮动监测设备的监测结果和固定监测站6的监测结果通过单片机9进行数据处理后，再由GSM网络12传给后端主处理设备13，监测过程几乎无需人工干涉最大限度的减少了人员维护频率，保证水质监测系统获得现场设备参数及状态的实时性高，系统运行的稳定性能好，监控系统和现场设备的数据传输量大。
本发明的监测方法，包括以下步骤：
a）、在待监测的水域布设多个浮动监测设备1；
b）、在待监测水域设置固定监测站6；
c）、浮动监测设备1的从CPU处理模块4实时通过定位服务模块3采集位置信息，并通过水质传感器2采集水质信息，再通过从Zigbee通讯模块5进行上传；
d）、固定监测站6的在线多参数监测器11采集固定监测站6所处的固定点的水质信息，主CPU处理模块8接收监测范围内的已绑定的多个浮动监测设备1发送的水质信息和位置信息，再将水质信息和位置信息进行数据精度校正和解析处理，并通过格式转换后通过发送至单片机9，单片机9将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络12发送至后端主处理设备13；
e）、后端主处理设备13接收水质比较结果、水质信息和对应的位置信息，分析每个浮动监测设备1的移动轨迹以及当前位置的水质情况，并将水质比较结果超标的浮动监测设备1或者固定监测站6的位置在电子地图上定位显示。
在步骤c）中，如图2所示，浮动监测设备1可以自行加入网络，自发发送绑定请求，固定监测站6收到请求之后会作出响应，并进行绑定操作。若附近未能找固定监测站6，那么浮动监测设备1会继续搜索，且搜索会呈现出周期性，直到成功绑定之后，水质信息和位置信息才会周期性地传输至固定监测站6。一旦固定监测站6未能给出应答，或是浮动监测设备1未能收到应答，那么浮动监测设备1的绑定就会自行解除，同时重复上述找寻及绑定操作。通过绑定操作，浮动监测设备1随水流漂离原地后，仍可以绑定Zigbee通讯距离内的其他固定监测站6，进行水质信息采集和传送，提高浮动监测设备1的利用率，保证数据有效传输。
在步骤d）中，从Zigbee通讯模块5和主Zigbee通讯模块7的互发数据设定为40字节，发送到接收中间耗时0.21秒，每个浮动监测设备1上传水质信息和位置信息的时间t&lt；200ms，水质信息和位置信息的数据长度为40字节，每分钟可以上传水质信息和位置信息总数为300个；同一个固定监测站6范围内包含的浮动监测设备1的个数为n（n&lt；1000），每个浮动监测设备1的采集设置周期T&gt；n/300分钟，所有浮动监测设备1通过北斗或GPS统一校时，每个小时的60分钟分成若干个周期T，在每个周期T内按照间隔200ms分配对应的浮动监测设备1进行数据上传，每个浮动监测设备1在不同的固定的时间点上传数据，有效避免上传数据的碰撞问题。如图3所示，同时还采取防碰撞应答存储机制，若某次的水质信息和位置信息上传失败则将该水质信息和位置信息的数据作为历史数据保存，下次信息上传时再进行历史数据汇报。以浮动监测设备1个数n=1000为例，则T=3.333取值T=4，在每个小时内可汇报周期m&lt；=15次，各周期时间起点为第4m，设浮动监测设备1序号X=1，那么装置x每小时汇报的时间点为第（4m*60）+ 200x秒（1=&lt；m&lt；=14），第15个周期作为历史数据汇报周期。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种基于物联网的水质监测系统，其特征在于：包括浮动监测设备（1）、固定监测站（6）和后端主处理设备（13）；其中，
浮动监测设备（1）中的水质传感器（2）和定位服务模块（3）分别依次连接从CPU处理模块（4）与从Zigbee通讯模块（5），从CUP处理模块通过水质传感器（2）采集水质信息，定位服务模块（3）采集位置信息，再通过从Zigbee通讯模块（5）将水质信息和位置信息发送至固定监测站（6）；
固定监测站（6）包括依次串联的主Zigbee通讯模块（7）、主CUP处理模块（8），单片机（9）及单片机GSM模块（10），单片机（9）连接在线多参数监测器（11），在线多参数监测器（11）采集水质信息，并将水质信息传输至单片机（9），主CUP处理模块（8）实时接收信息、进行数据精度校正和解析处理，再将位置信息和水质信息发送至单片机（9）；单片机（9）将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络（12）发送至后端主处理设备（13）；
后端主处理设备（13）包括工控机GSM模块（14）和后端在线处理设备（15）。
2.按照权利要求1所述的基于物联网的水质监测系统，其特征在于：所述浮动监测设备（1）还包括密封的塑料或硅胶外壳，水质传感器（2）的探针裸露在浮动监测设备（1）的外壳外部并没于水中，定位服务模块（3）、从CPU处理模块（4）与从Zigbee通讯模块（5）均设置在外壳内。
3.按照权利要求1所述的基于物联网的水质监测系统，其特征在于：定位服务模块（3）采用北斗定位模块和/或GPS定位模块获取浮动监测设备（1）当前所处的位置信息；浮动监测设备（1）通过锂电池或太阳能板提供电源。
4.一种使用权利要求1所述的基于物联网的水质监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、在待监测的水域布设多个浮动监测设备（1）；
b）、在待监测水域设置固定监测站（6）；
c）、浮动监测设备（1）的从CPU处理模块（4）实时通过定位服务模块（3）采集位置信息，并通过水质传感器（2）采集水质信息，再通过从Zigbee通讯模块（5）进行上传；
d）、固定监测站（6）的在线多参数监测器（11）采集固定监测站（6）所处的固定点的水质信息，主CPU处理模块（8）接收监测范围内的已绑定的多个浮动监测设备（1）发送的水质信息和位置信息，再将水质信息和位置信息进行数据精度校正和解析处理，并通过格式转换后通过发送至单片机（9），单片机（9）将水质信息与预设的水质阈值进行比较，并将水质比较结果、水质信息与对应位置信息通过GSM网络（12）发送至后端主处理设备（13）；
e）、后端主处理设备（13）接收水质比较结果、水质信息和对应的位置信息，分析每个浮动监测设备（1）的移动轨迹以及当前位置的水质情况，并将水质比较结果超标的浮动监测设备（1）或者固定监测站（6）的位置在电子地图上定位显示。
5.按照权利要求4所述的监测方法，其特征在于：在步骤c）中，浮动监测设备（1）自动发送绑定请求，固定监测站（6）收到请求之后会作出响应，并进行绑定操作；若附近未能找固定监测站（6），那么浮动监测设备（1）会继续搜索，且搜索会呈现出周期性，直到成功绑定之后，水质信息和位置信息会周期性地传输至固定监测站（6）；一旦固定监测站（6）未能给出应答，或是浮动监测设备（1）未能收到应答，那么浮动监测设备（1）的绑定就会自行解除，同时重复上述找寻及绑定操作。
6.按照权利要求4所述的监测方法，其特征在于：在步骤d）中，每个浮动监测设备（1）上传水质信息和位置信息的时间t&lt；200ms，水质信息和位置信息的数据长度为40字节，每分钟可以上传水质信息和位置信息总数为300个；同一个固定监测站（6）范围内包含的浮动监测设备（1）的个数为n（n&lt；1000），每个浮动监测设备（1）的采集设置周期T&gt；n/300分钟，所有浮动监测设备（1）通过北斗或GPS统一校时，每个小时的60分钟分成若干个周期T，在每个周期T内按照间隔200ms分配对应的浮动监测设备（1）进行数据上传。
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