廖訚彧，朱政堅，王 穎，李詩晴

(1.長沙市水質檢測中心，湖南 長沙 410008；2.威勝信息技術股份有限公司，湖南 長沙 410205)

1 引言

國內廣大農(nóng)村飲用水水源大部分來自江、河、湖、庫、山泉、雨水積蓄等地表水或淺層地下水.近年來，我國一直把水質監(jiān)測的重點放在了中大型城市，而忽視了廣大農(nóng)村[1].隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程的加快，以小型工礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)為主的經(jīng)濟區(qū)域迅速發(fā)展，然而這些企業(yè)中相當一部分屬于效益較差、能耗較大、環(huán)境污染嚴重的企業(yè)，其工業(yè)廢水的排放加上農(nóng)村養(yǎng)殖污染、大量農(nóng)藥化肥的使用以及居民的生活污水，致使村鎮(zhèn)飲用水水源污染日益嚴重[2].

傳統(tǒng)實驗室水質檢測報告的方式已經(jīng)不能充分、真實、及時地反映農(nóng)村水污染現(xiàn)狀，同時水廠原有的安防系統(tǒng)也無法實現(xiàn)實時預警、快速布控等功能.因此以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心的水質安全監(jiān)控手段需要應用在村鎮(zhèn)飲用水水源等各個重要區(qū)域，以保障農(nóng)村飲用水安全[3-6].

2 系統(tǒng)概述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術是根據(jù)協(xié)議利用感應和通信技術完成信息傳遞處理任務，進而實現(xiàn)人、物之間的數(shù)據(jù)交互.通過物聯(lián)網(wǎng)技術獲取傳感器、安防監(jiān)控、設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息并加以處理，以網(wǎng)絡信息交互實現(xiàn)在線水質監(jiān)測、周界安防、設備管理等業(yè)務應用，通過24小時不間斷、連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控，解決農(nóng)村水廠存在的監(jiān)測非實時、預警不及時、設備運行狀態(tài)不明確等問題.

2.2 總體架構

本文設計了一套面向農(nóng)村水廠的安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)代傳感技術、自動控制技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能等多種先進技術并結合農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)狀進行開發(fā)設計，可實現(xiàn)對農(nóng)村水廠出廠水質參數(shù)的實時在線監(jiān)測，并實現(xiàn)對水廠的周界防護以及設備的運行維護.如圖1所示，該系統(tǒng)主要由四層組成，包括：感知層、網(wǎng)絡層、物聯(lián)網(wǎng)平臺層及應用層.

(1)感知層.由各種傳感器與其他終端設備組成，通過各類傳感器對水質的相關信息以及其他終端設備數(shù)據(jù)進行采集.

(2)網(wǎng)絡層.通過4G/GPRS/NB-IoT等進行數(shù)據(jù)傳輸，并負責對各采集點能源信息的采集和監(jiān)控，以滿足平臺與現(xiàn)場終端的數(shù)據(jù)交換.

(3)物聯(lián)網(wǎng)平臺層.提供傳感器與云端的上下行通道，支撐設備上報與指令下發(fā)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和執(zhí)行設備控制.同時具備強大的兼容性及穩(wěn)定性，使不同型號的終端產(chǎn)品快速實現(xiàn)互聯(lián)互通，并更快地調用第三方服務.

(4)應用層.包含水質在線監(jiān)測、設備運行管理、周界安防告警、組織管理、系統(tǒng)管理等綜合應用，同時保證平臺的靈活性、可擴展性、安全性以及并發(fā)處理能力，適應集約化管理和業(yè)務發(fā)展的需要.

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺應用特點

水質安全監(jiān)控系統(tǒng)(圖2)以前端感知設備為基礎，以物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺分布式、面向服務、通用開放式的架構，為數(shù)據(jù)采集和實時控制提供必要的實時通信技術保證，其主要特點如下：

(1)大容量大并發(fā)

數(shù)據(jù)采集平臺使用了分布式框架，通過分布式技術和負載均衡技術，大大加強了平臺的接入量，使得平臺有百萬級設備接入的能力和萬級并發(fā)數(shù)據(jù)的能力.

(2)多語言多平臺

消息隊列具有多協(xié)議、多開發(fā)語言、多平臺的能力，數(shù)據(jù)采集平臺通過使用消息服務的方式把數(shù)據(jù)推送給各個應用系統(tǒng)， 不論應用系統(tǒng)是什么平臺都支持，保證多語言多平臺化，兼容所有應用系統(tǒng)的接入.

(3)實時性

數(shù)據(jù)采集平臺使用了內存數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的方式存儲.高速、按時存取和處理數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)操作能夠在規(guī)定的時間內完成.平臺還可以使用MQTT消息機制，通過消息發(fā)布和訂閱的方式，實時傳遞數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的實時性.

(4)穩(wěn)定性

數(shù)據(jù)采集平臺使用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術和框架，通過前置機和感知層的設備連接，確保平臺通信傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠，確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.

(5)準確性

數(shù)據(jù)采集平臺和感知層設備之間約定了相關通信協(xié)議，通過對協(xié)議的嚴格校驗和處理，確保數(shù)據(jù)的準確性.

(6)安全性

數(shù)據(jù)采集平臺和各個應用子系統(tǒng)之間有嚴格的賬號授權和校驗機制，并且數(shù)據(jù)使用了加密機制，嚴格管控密鑰，只有授權的應用子系統(tǒng)才能獲取到數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全性.

(7)開放性

數(shù)據(jù)采集平臺可以通過各種接口方式，比如Web service接口分發(fā)、數(shù)據(jù)庫的分發(fā)、MQTT消息機制的分發(fā)，把數(shù)據(jù)分發(fā)給各個應用子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放性.

2.4 系統(tǒng)功能設計

水質安全監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S架構，采用模塊化設計理念，并能與第三方系統(tǒng)進行良好的集成.用戶可以在任何時間、地點，通過互聯(lián)網(wǎng)查看水質狀況及設備運行狀況.該系統(tǒng)目前主要包括三大模塊，分別是水質在線監(jiān)測模塊、設備運行管理模塊、安全防護模塊.

(一)水質在線監(jiān)測模塊

通過與GIS地圖結合可以實時查看各個監(jiān)測點位的詳細情況.包括各個點位的位置、實時數(shù)據(jù)情況，并以曲線的形式展現(xiàn)各個監(jiān)測參數(shù)的實時變化，使用戶能夠更加直觀地監(jiān)控各時段的水質情況，同時可對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行告警閾值設定，其參數(shù)異常的監(jiān)測點以不同顏色進行告警提醒.

(二)設備運行管理模塊

可對監(jiān)測點位對應的傳感器進行增、刪、改、查等操作，對傳感器運行狀況進行實時監(jiān)控，當傳感器出現(xiàn)故障時可查看故障詳情.

(三)周界安防管理模塊

通過視頻監(jiān)控對水廠周界進行安全防護，同時可對人員設置授權名單，當未授權人員進入重點區(qū)域時系統(tǒng)將自動報警，管理人員可通過調取實時監(jiān)控查看相關情況.

2.5 技術研究重點

2.5.1 水質在線監(jiān)測模塊設計

(1)系統(tǒng)框架

水質在線監(jiān)測模塊是水質安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)以傳感器為基礎，運用自動控制技術、物聯(lián)網(wǎng)技術以及分析軟件和通信網(wǎng)絡，組成一個從水樣采集到數(shù)據(jù)處理及存儲的綜合性系統(tǒng)，從而實現(xiàn)水質在線監(jiān)測以及在線管理.物聯(lián)網(wǎng)平臺是整個系統(tǒng)的核心，負責該項目的設備管理、控制和數(shù)據(jù)清洗，為科學化的決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐.系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的各項數(shù)據(jù)進行智能分析處理，并對各個設備的運行狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)管，對事件進行提前預警和及時告警.同時系統(tǒng)還提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴驶涌?，便于?shù)據(jù)交換和遠程訪問.

(2)系統(tǒng)功能

實時監(jiān)測水源地及飲用水的水溫、溶解氧、pH值、電導率、濁度、余氯等參數(shù)，并可擴展其他監(jiān)測功能；當水質監(jiān)測數(shù)據(jù)超標、水質分析設備故障、現(xiàn)場供電異常時系統(tǒng)自動報警；具備監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析功能，可自動生成統(tǒng)計報表和趨勢曲線；具備現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控、遠程維護、遠程診斷等智能管理功能；系統(tǒng)軟件支持與其他平臺對接，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動，以快速應對突發(fā)性水污染事件.

(3)系統(tǒng)優(yōu)點

系統(tǒng)采用模塊化、分布式設計模式(圖3)，系統(tǒng)模塊功能耦合度低，并運用大數(shù)據(jù)技術，解決接入設備多、數(shù)據(jù)采集密度大，存儲數(shù)據(jù)量大，訪問并發(fā)規(guī)模大的問題.當一個采集或者前置機無法滿足大規(guī)模設備的時候，通過消息隊列的工作方式，可以開啟多個相同的采集或前置機程序來水平擴容，不需要大規(guī)模增加硬件配置.

統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺，解決不同廠家、不同型號產(chǎn)品接入方式多種多樣、接入難的問題.

統(tǒng)一采集平臺(圖4)，采用協(xié)議動態(tài)庫模式，設計規(guī)約解析模塊功能，將不同廠家設備協(xié)議進行抽象處理，實現(xiàn)不同協(xié)議設備的快速接入，大大降低系統(tǒng)二次開發(fā)工作量.系統(tǒng)模塊化設計框圖如圖5.

2.5.2 通信系統(tǒng)設計

通信是構建一個物聯(lián)網(wǎng)的基礎，是水質安全監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和存儲的前提要求.NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術的重要構成之一，具備超強覆蓋、超低功耗、超大連接、超低成本等優(yōu)勢特點，受到了各行各業(yè)的廣泛關注.在本系統(tǒng)中主要采用NB-IoT通信.原理圖如圖6.

2.6 整體應用效果

2.6.1 技術參數(shù)

表1 系統(tǒng)主要技術參數(shù)

表2 通信技術主要技術參數(shù)

2.6.2 整體應用效果

(1)案例分析

目前在長沙某農(nóng)村水廠已上線使用智慧運營系統(tǒng)(圖7、圖8)，通過前端設備的搭建完成了pH、濁度、余氯、溫度、電導率、溶解氧等水質參數(shù)的實時監(jiān)測，同時將安防監(jiān)控數(shù)據(jù)及設備接入智慧運營系統(tǒng)，為水廠周界安全保駕護航.

(2)成效分析

(a)降低人工成本，提高監(jiān)測效率

本系統(tǒng)動態(tài)實時準確地監(jiān)測水域水質的變化情況，實現(xiàn)水質實時布控、提前預警；降低人為檢測頻率，降低人工成本；提高監(jiān)測效率的同時提高了城市供水水質監(jiān)管能力.

(b)助力生產(chǎn)安全，提高安防等級

在水廠各主要工藝段和重點安保區(qū)域安裝攝像機，對生產(chǎn)安全實時監(jiān)控、對非法入侵和破壞活動實時告警.

(c)實時監(jiān)管設備，確保穩(wěn)定運行

對各類終端設備進行實時監(jiān)控，確保設備的穩(wěn)定運行，當設備出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可及時告警反饋.

(d)打通數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)互聯(lián)互通

使各個監(jiān)測點終端設備數(shù)據(jù)上傳至平臺，實現(xiàn)各終端數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通.通過系統(tǒng)對水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)控報警數(shù)據(jù)等進行整合，并將數(shù)據(jù)結果以曲線的形式實時展現(xiàn)；對歷史數(shù)據(jù)進行挖掘分析，可比較感興趣時段的各水質變化情況.

3 結語

通過對長沙農(nóng)村各水廠相關設備運行情況的調研和分析，對目前人工檢測成本高、安全防護不到位、設備運行狀態(tài)無監(jiān)控等弊端，提出以傳感器為基礎、以物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心的水質安全自動監(jiān)控系統(tǒng)，使用戶能夠實時掌握現(xiàn)場水質狀況以及設備運行情況并做好周界防護.利用物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、人工智能等技術建立的智慧運營系統(tǒng)，不僅為長沙農(nóng)村水質環(huán)境提供有效保障，也為全面提升農(nóng)村乃至城市供水水質環(huán)境和應急保障能力提供了強有力的技術支撐.