CN112445173B - 一种基于物联网的水质监控监测通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的水质监控监测通信系统，包括有远程控制计算中心模块、本地控制计算单元模块、传感中枢模块；其中传感中枢模块与接入用户的水质传感设备相连接，接收和检测传感数据信号强度，并根据检测传感数据信号强度与预设信号阈值范围的比较结果，通过功率反馈控制模块实现传输信号功率的调整；针对偏远地区的检测信道质量以及射频设备的方向调度问题，以及考虑现在人们对高精确度传感信号的关注提升，提供了针对特定需要的功率反馈控制模块，并通过具体的情形与阈值对应的功率偏移设置，有效解决在采集端和传输端存在的数据分析缺陷，为水质检测监控提供更为精确的有效数据，提高对突发情形的有效预警。

Description

一种基于物联网的水质监控监测通信系统

技术领域

本发明涉及物联网通信技术领域，特别涉及一种基于物联网方法的水质监控监测通信系统。

背景技术

当前居民越来越重视家中饮用水的水质质量，据统计中国有30%的城市居民在使用净水装置，欧美日韩则更高达70-85%的家庭使用净水机，国内偏远的农村用户则相对极低，据不完全统计，家庭简便性净水机使用量约为2-3%，安装型净化装置不到1%，针对农村地区的水质检测、净化工作亟待解决。

现有的生活用水通常在自来水的水源地进行检测，通过检测水库池子以及自来水总库中的酸碱度、硬度、细菌含量等是否超标，但是无法有效地对下游分散流入农村用户的家庭水质进行精确检测，主要原因在于农村家庭的聚集程度较低，各地使用临时或者小型本地水库池子的情况较多，实际的水情千差万别，导致通过使用传统传感集成设备出现差错的概率大大增加，另外由于地处偏远技术人员的补充和维修也不够及时，在实际运作中，导致农村偏远居民用户的自来水的安全、健康性能不能有效地得到提高，同时，生活用水在监测的过程中，存在监测效率低和可靠性差的问题，无法满足人们对安全水质的需求。

发明内容

本发明提出一种适用在农村或者郊区适用的基于物联网的水质监控监测通信系统，解决在监测的过程中，存在监测效率低和可靠性差的问题，无法满足人们对安全水质的需求。更具体的为一种基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：包括有远程控制计算中心模块、本地控制计算单元模块、传感中枢模块；其中传感中枢模块与接入用户的水质传感设备相连接，接收和检测传感数据信号强度，并根据检测传感数据信号强度与预设信号阈值范围的比较结果，通过功率反馈控制模块实现传输信号功率的调整；

所述传感中枢模块将采集到的数据通过近距离射频通信模块发送至本地控制计算单元；

所述本地控制计算单元对用户数据处理后传输至远程控制计算中心；

所述远程控制计算中心根据远程与本地通信的信道质量检测结果，反馈一功率控制指令至所述功率反馈控制模块；

功率反馈控制模块结合传感信号的第一功率偏移反馈结果以及远程控制中心的第二功率偏移反馈结果来综合判定传感中枢模块的信号发射功率。

所述传感中枢模块连接的传感设备分别为流量监测、氯离子监测、细菌类监测以及重金属监测。

所述远程控制计算中心连接至用户端，供用户查询和监测用户家庭水质网络的基本情况。

所述本地控制计算单元连接至用户端，提供与用户端的双向通信连接，用户可选择设置传感信号预设阈值指令。

所述传感数据信号强度在预设阈值范围内时，所述传感数据信号不发生功率偏移值；当低于预设阈值的下限时，发生功率偏移值P_a；当超过预设阈值的上限时，发生功率偏移值P_b。

功率偏移值P_a要大于功率偏移值P_b。功率偏移值P_b优选选择功率偏移值P_a的0.3-0.5倍。

如果远程和本地之间的信道质量良好，则功率偏移值取决于传感数据信号的强度大小。

若需要检测高精度的水质传感数据，则需要在传感中枢模块增加偏移发射功率P_a，若需要检测偶发情形，出现超过检测信号阈值范畴的传感信号时，则需要在传感中枢模块增加偏移发射功率P_b。

当远程和本地控制计算单元之间的信道质量较好或者出现异常时，则在传感信号功率调整的基础上，通过功率反馈控制模块再增加信道功率的偏移值±△P。

与现有传统的水质监测设备系统相比，本发明的系统监测可以有效解决在农村或者郊区的水质检测中存在的数据检测效率低、数据错误率高的问题，针对偏远地区的检测信道质量以及射频设备的方向调度问题，以及考虑现在人们对高精确度传感信号的关注提升，提供了针对特定需要的功率反馈控制模块，并通过具体的情形与阈值对应的功率偏移设置，还可以根据实际用户的具体选择倾向性的所需高精度检测的数据类型进行精确的信号功率控制，有效解决在采集端和传输端存在的数据分析缺陷，为水质检测监控提供更为精确的有效数据，提高对突发情形的有效预警。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是本发明提供的基于物联网的水质监控监测通信系统的框架图；

附图2是本发明入户数据采集端的传感数据信号的功率调整改进示意图；

附图3本发明水质监控系统的功率调整步骤模式。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

物联网是“信息化”时代的重要发展阶段，它通过红外感应器、激光扫描器、射频识别、气体感应器、全球定位系统等信息传感设备，根据约定的协议，将任何物品与互联网进行连接，完成通信与信息交换。随着物联网等相关技术的发展和成熟，其在很多领域都得到较为成功的应用，它不仅改变了人们的生活方式和生产方式，也给水利信息化建设和水质监测带来了新的发展契机，提供了很好的解决方案。它在水生态监测、水资源调度、水质监控等方面有了越来越广泛的应用，通过对河流、水库、居民家中观测点的传感器节点信息进行动态采集，利用现有的互联网等网络传输方式实时上传和智能分析，可以记录水质情况，分析并预测污水信息，防治水污染事故。

本发明中，提出一种基于物联网的水质监控监测通信系统也是以物联网为核心，通过典型的物联网通信架构对监测系统进行规划，图1中水质监测监控系统包括远程控制计算中心、本地控制计算单元以及用于连接入户监测具体装置的传感中枢模块，其中传感中枢模块可直接设置在用户的用水管道附近或者水路管道总闸上，一方面用以接收水质传感设备的数据信息，另一方面对所获取的水质数据信息进行初步处理和数据评估。所采集的数据可经内置的射频传输模块进行无线传输，将数据传输到本地控制计算单元集中和分析，不同的本地控制计算单元将处理梳理存储至各自的本地数据存储中心备份，再将数据传送至远程控制计算中心，远程控制计算中心对接收到不同本地控制计算单元的的数据进行综合处理和存储。本地控制计算单元针对传感中枢模块收集的传感信号数据进行本地化梳理，按照用户居住区、传感检测数据种类、时间段进行规范处理；此外，本地控制计算单元同时提供与用户端的直接对接，接收来自用户端的指令信号，用户也可以根据本地控制计算单元的反馈进行检测参数的调整和填报。远程控制计算中心则接收的数据更为完整和全面，并使用大数据处理技术，针对大地区范围内的居民用户水质情况进行统筹分析，并将分析结果数据化展示，通过用户端提供登录窗口查询用户自己的家庭水质情形，接收特殊事件的预警提醒。

在传统设计上，尤其在工业或者城市居民的水质监测系统在基于物联网进行设计时，通常采用周期性的采集点数据采集后，若干传感器单元在本地处理层的控制指示下按照指令进行水质数据的采集和发送，发送设备往往采用RFID或者远程射频装置进行联动组网，将采集的水质模拟数据进行本地数字化处理，借助射频设备的无线传输和控制，将数据采集传送至本地处理层的计算控制单元（参见图2中的虚线箭头指示），本地计算控制单元往往以小区、厂区或者片区的方式进行统筹梳理，规划化数据后，进行综合数据分析，并将处理分析结果传送至远程计算中心，远程计算中心通过AI或者归一化的比较反馈后，对片区或者居民室内水质的分析结果进行网络分发或者构件电子端的可接入接口，以便于用户直观查询；对处理后的数据存储至远程数据存储中心。

本发明中的本地控制计算单元作为终端控制系统，用于接收传感中枢装置中采集点传输的各类检测数据，另外在上层通信范畴，还通过远距离通信等无线网络将数据传输到远程控制计算中心。各类传感器主要涉及到流量监测、氯离子检测、细菌类检测，重金属检测四类，一般采集的方式为自动采集或者手动采集。自动型周期采集是最为常见的方式，各采集传感器依据本次控制计算单元的设计指令，按照固定的时间间隔或者时间节点进行例行监测，例如居民可能会在回家做饭之前需要知晓当前水质的基本情况或者在一段时间度假结束之后回家之前，设定相关的水质检测情况，完成水质的在线检测，并将检测结果通过本地控制计算单元交互至用户实时知晓，提前应对。与自动周期相对的是手动采集，手动采集的目的主要出于自动采集的频率和消耗可能会更大，带来传感器接触传感装置的消耗；另外还有一个重要的原因在于，自动传感在应对水路质量不稳定时无法良好的应对，例如在水路管道出现较大的环境污染、金属污染或者管道损坏时，常规自动传感的数据监测和传输工作功率仍保持在原信号标准强度下，通过模拟数据转化及数据分析处理后发送，然而应对特殊情形下，数据处理的阈值范围会超过常规阈值，例如在维修或者偶发性事故中出现的水路流量剧增、污染系数畸高，如果还是用常规检测手段，则不能完全反馈出当前水路管道的水质详情。因而会出现在人工反馈之后通过后续的手动采集进行上报，常规做法是通过维修人员通过手持设备上门进行处理和探测实际情形，再将实际结果人工填报后上报，这样的操作缺陷在于：数据异常滞后以及人工填报的误差率极高，更为要紧的是目前针对居民用户的水质污染要求要比工业水质探测的精度要求更高，即便是传统的常规自动检测，由于其传感信号较为微弱，如果不能达到检测阈值（检测阈值更具体的是指认为设定的检测范围，并非指信号探测装置的检测量程，检测阈值的范围在探测装置的检测量程范围内选择设定）的下限，则在后续数据分析处理模块极为容易将微弱信号的分析忽略甚至误报，因而让居民误认为水质没有异常。本发明也同时解决需要人工操作的不便问题。

参考图2中展示，传感设备在接收水务、水质的基本数据后通过模拟数据处理装置后，数据信息被直接收纳至数据分析模块（图2中的虚线箭头方向），依照数据的具体类别和对应用户编组进行分类发送至本地控制计算单元。本发明中，为了应对数据传感过程中可能出现的水务偶发情形以及针对人用水质要求的高精度场景，使用传统检测导致带来数据监测的不稳定和高错误率，通过在传感设备相接的模拟数据处理后，使用模拟数据处理的信号探测装置，针对各传感器的具体类型设置对应探测阈值，若设定常规预警阈值为[a，b]当出现污染系数畸高或者水流量剧增时，往往出现模拟数据探测信号阈值的突破，一旦突破信号阈值上限b，则将对应的探测信号发送至功率反馈控制模块，功率反馈控制模块结合本地控制单元与远程控制计算单元之间的信道质量状况，决定在传感中枢进行信号发射的功率控制，其中对应的传感信号功率增加一偏移P_b。当出现传感信号强度较为微弱，需要更高精度的传感信号检测传送时，例如当信号探测检测到信号阈值低于下限a，则应对的情形是当前水质中的该传感检测类别的污染系数较低，则功率反馈控制制模块结合本地控制单元与远程控制计算单元之间的信道质量状况，决定在传感中枢进行信号发射的功率控制，其中对应的传感信号功率增加一偏移P_a。当信号探测装置检测到的传感信号在预警阈值范围内[a，b]，则传感中枢可以直接结合本地控制单元与远程控制计算单元之间的信道质量状况进行分析后发送，其中对应的传感信号功率P_c不设置功率偏移。

其中P_a的值优选的要大于P_b值，以使得能够更大程度的针对精度数据的信号传输，而突发信号其本身传感信号的转化强度就较高，使用偏移功率的迫切度要低于针对精度的传输要求，可以设定P_b值为0.3-0.5倍的P_a值。

本发明中，本地控制计算单元与远程控制计算单元之间采用的是 3G、4G、5G或者可选卫星通信。本地和远程之间存在信道的参数设置和射频设备的定向调节问题，尤其在农村地区，由于当前基站网络的覆盖度以及住户不集中导致的射频导向，都使得无法像城市居民区那样的高聚集程度，导致本地和远程的通信网络稳定性不足，射频设备的定向无法全面覆盖，考虑射频设备的投射能力主要以方向性来表征，依据方向性D=4πU_max/P_rad，其中U_max为射频设备空间辐射最大功率，P_rad为射频设备的空间辐射平均强度，因而通过采取针对空间辐射最大功率的信号调整，可以较为有效的提升相关信号发射方向性系数，同时经过测试，偏远地区的信道上下链路之间的数据传输通道，可以在适当调整功率的情况下保持可接受的信道干扰度，但是可以明显提升分包数据的接收成功率。

在远程控制计算中心，设置有信道质量检测模块，通过接收来自本地控制计算中心数据的内容判定当前信道的质量指数CQI，如果当前信道质量的CQI值低于设定要求，则反馈给水质监测控制系统的功率反馈模块，并通知功率反馈模块给出一偏移功率+△P，并将+△P叠加至传感信号发射功率P（传感信号发射功率取决于探测信号检测阈值来判定），叠加后的发射信号总功率（+△P+P）返回至传感中枢进行信号发射。如果当前信道质量的CQI值明显高于设定要求，则反馈给水质监测控制系统的功率反馈模块，并通知功率反馈模块给出一偏移功率-△P，并将-△P叠加至传感信号发射功率P，叠加后的发射信号总功率（-△P+P）返回至传感中枢进行信号发射。

系统可以根据被监控点的实际情况，对水质监测的参数设置响应选择合适的阈值范畴，用户自己也可以根据自家的实际情形（例如雨季、旱季、装修期等）来灵活调节传感信号检测的预警阈值范围。

以下结合附图3中的系统运作流程图进一步详细说明：

传感器端设备在采集到流量监测、氯离子检测、细菌类检测，重金属检测四类数据后，通过各自模拟/数字数据处理装置进行转化，对转化后的传感信号内容进行强度检测，传感设备中设置有数字处理模块，数字信号调理模块采用8路16位高精度A/D模拟数字转换芯片，将水质分析传感器反馈的毫伏级信号反馈经前置运算放大后，转化数字信号进行采集信号的强度检测。如果出现偶发情形或者用户需要更精确水质检测指令，则检测传感信号强度是否在设定的阈值范围内，如果在预定的阈值范围[a, b]范畴内，则告知水质监控系统的功率反馈控制模块当前传感信号发射功率预设为在基础功率，不发生偏移；如果不在预定阈值范畴内，说明出现了水质异常情形，或者当用户手动调整水质检测要求出现变化，则告知水质监控系统的功率反馈控制模块当前传感信号发射功率预设为在基础功率基础上偏移P_a (或P_b )，其中，因为P_b值的至优选为0.3-0.5倍的P_a值，以抑制由于额外功率增加在本地和远程控制计算单元之间带来的信道干扰。在确定完传感信号控制功率因素后，需要判断是否需要考虑本地和远程控制计算单元模块间的实际网络通信质量。考虑到最终数据分析的总体进行是在远程控制计算单元，因而如果远程端不能良好的接收到前端的检测处理数据，那么仍然会在后续的数据处理、紧急预警中出现不良响应或者不响应的情况。与之对应的，在信道数据传输上，如果径自的增加数据传输功率，信道的不良干扰势必会有所增加，并且带来功耗的损失，如果检测到CQI指数比较优质的情形下，说明信道质量较好，也可以适当降低前端的发射功率，仍然保持相对良好的数据接收效果。

因而，参考图3，整个功率控制系统，提供了四种情形的功率反馈设置模式，分别为：远程和本地之间的信道质量良好，则功率偏移值取决于传感信号的检测强度大小，需要检测高精度水质数据，则需要在传感中枢模块增加偏移发射功率P_a，如果需要检测偶发情形，出现超过检测信号阈值范畴的传感信号时，则需要在传感中枢模块增加偏移发射功率P_b；当远程和本地控制计算单元之间的信道质量较好或者出现异常时，则在传感信号功率调整的基础上，通过功率反馈控制模块再增加信道功率的偏移值±△P。

更进一步的，综合总体发射功率的需求和条件限制，因为并不是所有上传信道的功率选择都选择高功率，针对不同数据信号之间可能存在竞合，此时针对传感信号的不同信号类型采取功率偏移会是比较好的方式，本发明中，如果针对四种传感信号：流量监测P1、氯离子检测P2、细菌类检测P3，重金属检测P4，因为功率总量的限制，可以优选的选择对重点信号类型的发送进行单独功率偏移，例如在检测四种功率同时存在需要高精度功率需求，而导致传感中枢的发射功率明显过高（该阈值往往设定为超过常规发送的1.5-2倍），则设定四种功率的优先功率偏移次序，实际选择中优先级默认为重金属检测>细菌检测>氯离子检测>流量检测，那此时会优先设置针对重金属传感信号强度P4的增加一功率偏移，如果还有增加余量则增加细菌检测传感信号强度P3，以此类推；若增加重金属传感信号强度P4之后，传感中枢的总发射功率已经达到阈值，可以通过传感中枢发送反馈至本地控制计算中心，进行预警提醒，告知功率溢出消耗过高，同时主动降低除P4之外的功率强度，并将除重金属传感信号之外的其他三种传感信号暂存至数据评估模块。本地控制计算中心可通过分时段（低功耗时段）进行补充调用传感中枢模块中的数据评估模块，对未进行传送的其他传感信号进行补充。这样既能够平均链路功率消耗的有效分配，而不影响其他链路信号的传输，也能够更大程度的实现水质信号的高精度采集和分析。

需要注意的是，四种传感信号的优先级顺序既可以由用户根据远程控制计算中心模块的推荐选择默认设置，也可以根据实际用户所在的地理位置或者水路管道的特殊情形来灵活设定，考虑到农村水路情况的高度复杂性，所以考虑将用户自行选择设置的通道接口予以开放，本地控制计算模块如果接收到用户的实际选择，则将控制指令反馈给传感中枢模块，传感中枢模块反馈给功率反馈控制模块，功率反馈控制模块默认是按照远程控制中心的优先级指令以及实际接收到的传感数据信号与实际阈值的比较结果来设置功率，在接收到传感中枢模块中来自本地控制计算模块的用户特定指令后，则将按照指令要求进行功率传输指令的重新评估。

在上述实施例中，对实施例中的不同模块描述都各有侧重，需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述计算机程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质可以包括但不限于：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。另外，本发明中未提及的相关射频设备的具体构件既可以选择RFID，也可以选择LORA或者ZIGBEE等，这取决于实际的供货成本以及在不同郊区之间的实际本地层与用户层之间的距离确定，随着技术的更新和替代，也可以不限于以上的具体选择。

以上对本申请实施例提供的模拟/数据转化组件、传感电子设备、功率反馈控制及射频天线具体实现未进行了详细描述，但这些都是本领域人员应当具备的应用常规技术模块来实现系统控制的主要目的和内容，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请。同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：包括有远程控制计算中心、本地控制计算单元、传感中枢模块以及功率反馈控制模块；其中传感中枢模块与接入用户的水质传感设备装置相连接，用以接收、处理和检测传感设备反馈的数据信号强度，并根据检测传感设备反馈的数据信号强度与预设信号阈值范围的比较结果，通过功率反馈控制模块生成第一功率控制指令实现传输信号功率的调整；所述传感中枢模块将采集到的数据通过近距离射频通信模块发送至本地控制计算单元；所述本地控制计算单元对用户数据规范处理后传输至远程控制计算中心；所述远程控制计算中心根据远程与本地通信的信道质量检测结果，反馈第二功率控制指令至所述功率反馈控制模块；功率反馈控制模块结合传感信号的第一功率控制指令反馈结果以及远程控制计算中心的第二功率控制指令反馈结果来综合判定传感中枢模块的信号发射功率。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：所述传感中枢模块连接的传感设备分别为流量监测设备、氯离子监测设备、细菌类监测设备以及重金属监测设备。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：所述远程控制计算中心连接至用户端，供用户查询和监测用户家庭水质网络的基本情况。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：所述本地控制计算单元连接至用户端，提供与用户端的双向通信连接，用户可选择设置预设信号阈值范围。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：所述传感设备反馈的数据信号强度在预设信号阈值范围内时，则反馈的数据信号发射功率不发生偏移；当低于预设阈值的下限时，则反馈的数据信号发射功率偏移Pa；当超过预设阈值的上限时，则反馈的数据信号发射功率偏移Pb。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：功率偏移值Pa要大于功率偏移值Pb。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：功率偏移值Pb优选选择功率偏移值Pa的0.3-0.5倍。

8.根据权利要求5所述的基于物联网的水质监控监测通信系统，其特征在于：如果远程和本地之间的信道质量良好，则功率控制偏移值取决于传感信号的检测强度大小。

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