基于NB-IoT的水环境在线监测关键技术研究

汤泽军

摘要：针对城市生活用水安全隐患，提出“基于NB-IoT的水环境在线监测方案”，为实现该方案须突破以下四个方面的关键技术问题：其一，水环境监测仪的研制：包括用于河流、湖泊、水库等城市主要水域的水质监测设备;以及对居民生活小区到户的水环境进行监测的水质检测仪，以对饮用水水质把好最后一关。其二，实现鲁棒的传感器网络：对于城市水环境在线监测，数据采样点众多，为实现最稳定的数据采集及数据传输，须实现最优的传感器网络，并据此完成对各端点检测仪的设备安装及维护。其三，实时数据通信技术：本项目可望解决现代智慧城市水环境的全数据监控，其采集数据信息不仅仅应用于水污染的判断，同时兼顾汛期或水位的监控，實现城市水环境的多方面监控功能。拟在底层采用NB-IoT技术，实现实时的数据采集及通信。其四，基于NB-IoT的水环境在线监测信息系统的设计，实现监测信息的获取、存储、分析、管理、表达评估和辅助决策。

关键词：物联网技术;教育;应用

中图分类号：G712.3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）12-0240-02

水污染问题日益严重，由于化工产业废物污染水源，导致半数以上江河湖泊水资源受到严重污染，多地出现“癌症村”。这些重大的水污染事件都只是触目惊心水质污染的冰山一角。家门口的河流，楼房上的二次供水塔等成为人们忧心所在。因此，水资源保护尤为重要，而水质监测是水资源保护的“眼睛”。在未来智慧城市生活中，为了实现人们安全的饮水及水资源生活环境，亟需解决水环境数据的采集、监测、记录、水质状态数据报告等，这些数据不仅用于城市生活水资源的管理，也可以用于汛期防洪决策参考。

1水环境在线监测研究现状

1.1国外水环境监测现状

美国学者Seong-Hee Kim等研究了传感器测量误差对河流系统水质监测网络设计的影响，提出当优化算法与统计过程控制方法相结合时，可以得到鲁棒的传感器位置。该团队开发了一种传感器测量误差概率模型，将其嵌入到河流系统的仿真模型中，并结合阈值的优化算法找到鲁棒的传感器网络。英国学者J.P.R. Sorensen等针对英国常用的微生物指标一一浊度，评估了在线荧光光谱法用于未经处理的饮用水水质微生物实时评价的效用，提出在线色氨酸荧光（TLF）和腐殖酸类荧光（HLF）跟公共供水中的大肠杆菌CON浓度和细菌总数密切相关。英国学者Nick A.Chappell等提出一种系统建模过程，允许客观识别采样率，以避免在强降雨时的混叠。匈牙利学者Boudewijn根据卫星图像和已知水体的地图，监测大面积的内陆过量水，以了解洪水的发展程度和方向，以减轻它们对农业部门的破坏和基础设施建设。巴西学者Schneider通过分析水质指数（WQI）——九个理化指标和微生物状态指数和营养状态指数（TSI），监测巴西南部Taqi-Autas流域的浅层水质来评估养猪场污染。澳大利亚学者Mary Drikas等在配电系统中监测水质变化，确保在用户水龙头中提供优质水。随着各国环保意识的增强，水环境在线监测已成为研究热点。欧美等发达国家已具备较为成熟的水环境监测技术，正借助新技术，将水环境监测推向更便捷、更精准、更及时的领域。尽管各国科学家们在水环境监测方面从多角度进行研究也取得成绩，但是目前尚无将NB-IoT技术应用于水环境监测的研究。

1.2国内水环境监测现状

自20世纪80年代，经过二十多年的研究与发展，我国在水环境监测领域的自主设备和技术都取得了长足的进步，但仍然停留在技术研究层面，在将技术产业化方面做得不够。国内水环境监测主要有实验室监测、自动监测站监测、移动监测三种方式，主要在以下几个方面取得了一定成果：①在线水质监测系统及其关键技术的探索，包括基于WEB的水质自动监测系统、基于无线传感器网络的水质在线监测系统、基于物联网的水质监测技术研究等，其中边际提出的三级水质监控网络构建关键技术研究与示范体现了先进性。②水质监测技术的研究，有基于单片机或PLC、GIS、光谱特性、污染源监测等不同原理的水质监测技术;③对于水质监测设备的研究：包括船载水质高密度在线监测、移动式水质自动监测、水质监测材料设备研发与国产化探索。将NB-IoT应用于水环境监测的研究尚不多见。

2NB-IoT的应用特点

物联网的无线通信技术主要分为短距离通信技术和广域网通信技术即LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）两类。NB-IoT是近来LPWAN技术中的热门，属于工作于授权频谱下的广域网通信技术，聚焦于低功耗广覆盖（LP-WA）物联网（IOT）市场，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，可在全球范围内广泛应用。NB-IoT目前已广泛应用于智能抄表、智能车锁类应用等，在穿戴式应用方面，基于NB-IoT技术的智能自行车、智能拉杆箱;NB-IoT技术和传感器结合实现对农作物的实时监控;基于NB-IoT的智能电网监测;NB-IoT智能锁，智能停车等。

3基于NB-IoT的水环境在线监测

3.1在线监测设备

分布在各采样点的采样设备是水环境在线监测系统的基础设施。对于常规水环境监测设备的研制。由于市场上尚无成熟的产品可直接使用，因此，项目组须自行研制。该监测设备的主要功能即实现对水质主要特征数据的实时采集：包括水的浊度，PH值，水位高度等。为确保项目的可行性，在不影响采样数据准确性和实时性的前提下，尽量采用低成本的产品。用于应急监测的专用监测设备的选型及设计。针对汛期、突发洪水、突发污染等特殊情况，设计专用的应急监测设备，包括便携式实地监测、移动监测等方案。在硬件上实现水环境在线监测仪表安装验收及数据管理的规范化，从技术上明确在线监测仪安装验收流程和数据采集标准，保障在线监测仪运行的可靠性以及数据采集的有效性。

针对应急情况开发移动式的水环境监测仪器，该仪器可在污染事故发生后临时替补常规监测设备，确保污染后处理的及时性。水环境在线监测信息管理系统能对城市的整体水域分布图进行按不同水质状态进行分颜色动态标注。可靠的水环境在线监测信息采集及在线监测数据的实时传输，同时考虑到应急监测数据采集，在前述基础上，搭建系统监控中心，通过软件实现监控中心与各信息源端的信息交互。

3.2NB-IoT底层数据采集

為简化终端的复杂性、降低终端功耗，同时确保实时数据传输，选用NB-IoT芯片进行底层数据的采集，该系统集成了看门狗、Flash和电池管理，并预留了传感器集成功能。可以采集水质信息，同时还能采集水体的参数信息，并依据被电解的水体的颜色对水质做出初步判断。为切实保证监控系统在数据收集、传输和处理上的即时性和有效性。监控系统包括核心设备、网管服务器、基站和交换机等，结合实验点的实际情况，在现场进行系统架设，并对安装的质量进行测试，确保系统的信号覆盖良好，满足实验要求。

3.3鲁棒的传感器网络布局

通过数学建模及系统仿真确立水环境监测网点的最优布局方案。以城市水域分布图为例，探索针对城市水环境监测，为获取可靠的水环境数据，确定最优的传感器网络布局，实现鲁棒的传感器网络。通过现场试验，对量程漂移、零点漂移、实际水样比对误差等，对在线仪器检测稳定性有较大影响的参数进行了评价和规范;研究清洗、校验对在线监测设备运行状态的影响，分析在线监测值与实验室标准方法检测值之间的比对偏差，确定在线监测设备的维护内容和维护周期。

3.4水环境在线监测信息管理系统

采用在线的水质水量监测传感器、变送及控制器，以连接异地、异质传感器或现地设备的广域计算机网络、数据库为基础，实现水环境要素的实时、高精度的在线自动监测，以及监测信息的获取、存储、分析、管理、表达评估和辅助决策。系统主要功能包括：

3.4.1水环境数据采集

集成数据库管理系统、地理信息系统和水质预测模型的管理系统，能够实时、直观地对区域水环境信息进行可视化表达，自动响应监测值超标的紧急情况并给出应对措施建议，配合系统的自动警报和决策支持功能，系统实现对区域水相关数据的动态管理，提高区域水环境管理的自动化程度。系统监测数据查询，包括静态查询和动态显示。预测功能对用户选择的监测对象和参数进行水质预测，并将预测数值同已有监测值一起进行输出，也可将预测数值实时显示在动态数据框中，并将预测数据作为警报触发值进行判断。

3.4.2水环境状态监测与查询

通过建模与仿真，对现场传感器群采集的数据，定义区域内各监测参数的评价等级，确定水环境状态的基本函数，对水环境状态值进行分区段关联颜色，对各类水体的实时监测值用不同颜色进行空间标识，用户通过可视化的表达直观地获取自动化的水环境评价信息。

3.4.3水环境事故预警

为能为环保部门提供水环境监测和预测提供决策支持，设置水环境关键参数的预警阈值，当数据值达到设定的预警阈值时，系统自动告警，并针对不同数据情况向用户提供应对处理的建议，并形成告警信息报告和应对措施指南。基于NB-IoT的水环境在线监测系统如图1所示，在各个水质监测的点位安装相应的传感器，各传感器采集的数据通过NB-IoT发送到移动网络，经过移动数据中心，最后通过最接近用户的云服务器在手机用户终端和监控终端之间实现数据的交互。通过用户层软件设计，为用户提供的针对不同数据集所表示的图层及地图文档进行缩放、拖动，保存、输出等。

4结束语

水环境监测信息采集点的布局：利用嵌入式系统设计水质监测终端，利用GIS技术、通过数学建模和系统仿真构建最优的信息监测用的传感器网络，用以各水环境特征数据的采集。在线监测数据的实时传输：基于NB-IoT通信技术，实现各信息源点的数据与监控中心之间的实时传输。系统内部实现数据共享及实时报告机制：利用数据库技术和物联网技术实现信息的融合、分析。水环境监测数据的拓展应用：城市水环境的监测数据不仅是对水质的分析，同时对汛期事故易发点提供水位或流速监测，可为城市抗洪防汛部门提供数据参考。