吳文霞，朱金秀，2，陳奮遠(yuǎn)，黃潔潔，詹萬(wàn)林

（1. 河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2. 江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；3. 盱眙縣水利設(shè)計(jì)室，江蘇 盱眙 211700；4. 盱眙縣水土保持辦公室，江蘇 盱眙 211700）

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳文霞1，朱金秀1，2，陳奮遠(yuǎn)3，黃潔潔3，詹萬(wàn)林4

（1. 河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2. 江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；3. 盱眙縣水利設(shè)計(jì)室，江蘇 盱眙 211700；4. 盱眙縣水土保持辦公室，江蘇 盱眙 211700）

水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，利用 GIS、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、傳感器及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)，構(gòu)建一套完善的水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)與管理體系。介紹系統(tǒng)總體架構(gòu)，闡述系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信和關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過(guò)水質(zhì)遠(yuǎn)程查詢(xún)分析、應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化和報(bào)警綜合管理，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)污染的實(shí)時(shí)監(jiān)控和水源地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，有效地為水源地水質(zhì)安全保障提供支持。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；水質(zhì)污染監(jiān)控；自定義數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化

0　引言

盱眙縣位于江蘇省西部，總面積 2 483 km2，轄14 鎮(zhèn) 5 鄉(xiāng)，260 個(gè)村（居）委員會(huì)和 14 個(gè)場(chǎng)圃，總?cè)丝?75.76 萬(wàn)，境內(nèi)中部山區(qū)丘陵，東部平原良田，西部湖灘水面，人均面積居江蘇各縣之首。農(nóng)村飲水安全工程實(shí)施后，全縣自來(lái)水基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋（部分偏遠(yuǎn)山區(qū)零星居民沒(méi)有通上自來(lái)水），自來(lái)水普及率達(dá) 98% 以上。但原安全區(qū)由于管道老化、人均用水量增加等因素，飲水現(xiàn)狀不安全的人口達(dá)25.023 7 萬(wàn)人。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，盱眙縣絕大部分水源地未實(shí)現(xiàn)常規(guī)水質(zhì)的在線監(jiān)控，且全縣的水源地水質(zhì)信息沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)。王化建等人通過(guò) 3S 技術(shù)的集成應(yīng)用研發(fā)出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為國(guó)家江河流域水環(huán)境安全管理提供支持［1］。在此基礎(chǔ)上，搭建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，利用 GIS、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、傳感器及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)［2］，實(shí)現(xiàn)水源地水質(zhì)污染監(jiān)控的信息聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離匯集與分析處理，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建整個(gè)市區(qū)的水源地水質(zhì)監(jiān)控平臺(tái)，打造市民放心的水源地水質(zhì)監(jiān)控體系，并向市民提供水源地水質(zhì)在線查詢(xún)等服務(wù)功能，為建設(shè)智慧城市打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體在物聯(lián)網(wǎng) 3 層架構(gòu)［3］的基礎(chǔ)上增添了支撐層，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層，如圖 1 所示。

1.1感知層

主要由分布在各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面遙測(cè)點(diǎn)的水情、工情信息采集傳感單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)水量、雨量、水位和水質(zhì)信息的全過(guò)程、全天候采集。水情、工情信息采集傳感單元主要包括安裝在監(jiān)測(cè)斷面的流量、水質(zhì)和水位傳感器，分別進(jìn)行水量雨量、水質(zhì)和水位的監(jiān)測(cè)。視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)在光纖接入情況下采用有線網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭，在 3G/4G 或 Wi-Fi 環(huán)境下采用移動(dòng)終端和無(wú)人飛行器運(yùn)動(dòng)攝像頭進(jìn)行采集。

1.2網(wǎng)絡(luò)層

采用有線網(wǎng)絡(luò)為主，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為輔助和補(bǔ)充，監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器接入水利專(zhuān)網(wǎng)，并采用固定公網(wǎng) IP 地址。遙測(cè)傳感單元的數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)通信接口與可編程控制模塊連接，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)直接與監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)通信，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，并將原始數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)中心，同時(shí)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式把監(jiān)測(cè)信息傳送到移動(dòng)終端。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

1.3應(yīng)用支撐層

由數(shù)據(jù)交換和云服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成，是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，保證系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性、擴(kuò)展性和資源的高度共享。負(fù)責(zé)信息存儲(chǔ)、整合、交換。通過(guò)統(tǒng)一的入口進(jìn)行訪問(wèn)，使得互聯(lián)網(wǎng)資源、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源和非結(jié)構(gòu)化文檔，以及應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)平臺(tái)之間能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫接入和集成［4］，支持信息訪問(wèn)、傳遞及協(xié)作，高效開(kāi)發(fā)、集成、部署、管理個(gè)性化業(yè)務(wù)應(yīng)用。其中，數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取與轉(zhuǎn)換，支持手工錄入和數(shù)據(jù)審核，是為不同的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)格式之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而提供服務(wù)的平臺(tái)［5］。云服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)第三方數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。

1.4應(yīng)用層

負(fù)責(zé)接收和處理監(jiān)測(cè)終端上傳的數(shù)據(jù)，集中展現(xiàn)各遙測(cè)點(diǎn)信息，并通過(guò) GIS、水質(zhì)遠(yuǎn)程查詢(xún)與分析、水污染應(yīng)急預(yù)案、報(bào)警綜合管理、移動(dòng)終端、水質(zhì)污染智能化決策指揮、水資源保護(hù)、視頻監(jiān)控及公共服務(wù)等系統(tǒng)向公眾提供應(yīng)用服務(wù)。

2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盱眙縣水源地水質(zhì)污染監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)建設(shè)主要包括 9 個(gè)區(qū)域建設(shè)和各區(qū)域之間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。

根據(jù)訪問(wèn)目標(biāo)、策略、信息性質(zhì)、功能特點(diǎn)等，將網(wǎng)絡(luò)劃分為 9 個(gè)安全域：互聯(lián)網(wǎng)接入?yún)^(qū)、電子政務(wù)接入?yún)^(qū)、水務(wù)網(wǎng)接入?yún)^(qū)、各區(qū)縣網(wǎng)絡(luò)接入?yún)^(qū)、核心交換區(qū)、樓層辦公區(qū)、應(yīng)用服務(wù)器區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份區(qū)和安全運(yùn)維管理區(qū)。

核心交換區(qū)是整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖的核心部分，其他 8 個(gè)安全域都通過(guò)該核心交換區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)交流。核心交換區(qū)中的核心虛擬系統(tǒng)使用雙備份系統(tǒng)，先后經(jīng)過(guò)入侵檢測(cè)防御系統(tǒng)和外網(wǎng)防火墻接入互聯(lián)網(wǎng)，保證了系統(tǒng)內(nèi)部的安全性。

本地和第三方數(shù)據(jù)中心用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。其中，本地?cái)?shù)據(jù)中心由應(yīng)用服務(wù)器區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)組成。應(yīng)用服務(wù)器區(qū)為主數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)擁有容災(zāi)備份系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的容災(zāi)能力。本地?cái)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器匯聚交換機(jī)捆綁上行至核心虛擬系統(tǒng)。

第三方數(shù)據(jù)中心搭建在云平臺(tái)上，主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理水源地監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器單元實(shí)時(shí)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為應(yīng)用層業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)采用虛擬私有云（VPC）［6］方案，在第三方數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通過(guò)技術(shù)手段隔離出一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算環(huán)境，并通過(guò)專(zhuān)用安全通道與核心交換區(qū)連接，既能夠保證數(shù)據(jù)的安全性，又能屏蔽異構(gòu)云間復(fù)雜的互操作。

政府機(jī)構(gòu)通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接入核心交換區(qū)獲取所需信息，實(shí)施電子政務(wù)辦理。市水利局通過(guò)水務(wù)專(zhuān)網(wǎng)接入核心交換區(qū)，方便快捷且安全性高。下級(jí)各區(qū)縣單位可通過(guò)廣域網(wǎng)或者虛擬專(zhuān)用網(wǎng)［6］（建議使用虛擬專(zhuān)用網(wǎng)）接入核心交換區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取或上報(bào)。為了保護(hù)各區(qū)縣單位內(nèi)部系統(tǒng)安全，接入?yún)^(qū)內(nèi)部都安裝有 UTM 安全網(wǎng)關(guān)。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信總體結(jié)構(gòu)圖

安全運(yùn)維管理區(qū)通過(guò)管理區(qū)接入交換機(jī)與核心交換區(qū)互聯(lián)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全管理，通過(guò)漏洞掃描和堡壘機(jī)技術(shù)，了解運(yùn)行的應(yīng)用服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全漏洞，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，盡快修補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，更正系統(tǒng)中的錯(cuò)誤設(shè)置，防范黑客攻擊行為。實(shí)時(shí)收集和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中每一個(gè)模塊的系統(tǒng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和安全事件，以便集中報(bào)警、記錄、分析和處理。

2.2系統(tǒng)通信接口軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

由于系統(tǒng)感知層的各傳感器終端使用的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議各不相同，導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能被接收端正確的理解和處理。所以根據(jù)實(shí)際情況，在 TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上，自定義了數(shù)據(jù)通信協(xié)議，如表 1 所示，以實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)流中方便提取數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和接收。消息內(nèi)容的封閉部分如圖 3 所示。

表1　終端與服務(wù)器之間的通信格式

圖3　數(shù)據(jù)格式

按照自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，終端可將帶有本機(jī)IP 地址的消息傳送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心也可提取出相應(yīng)終端的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送到指定終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.2.2通信接口軟件的實(shí)現(xiàn)

如圖 2 所示，整個(gè)系統(tǒng)是由虛擬專(zhuān)用網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)組成，各網(wǎng)絡(luò)不在同一網(wǎng)段，無(wú)法進(jìn)行直接的通信，并且，為了進(jìn)一步保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的安全，因此，在服務(wù)器上設(shè)置了一個(gè)接口程序，將終端與數(shù)據(jù)中心通過(guò)此接口程序連接起來(lái)，達(dá)到終端與數(shù)據(jù)中心的透明傳輸，并實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控和命令發(fā)送。

通信接口軟件承擔(dān)了將終端與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)，達(dá)到透明傳輸任務(wù)的作用，因此，此接口軟件上設(shè)置相應(yīng)的端口循環(huán)監(jiān)聽(tīng)終端，并將所連接上的終端地址保存起來(lái)，以此保持終端與數(shù)據(jù)中心的連通與信息的有目的傳輸，當(dāng)終端向數(shù)據(jù)中心傳送數(shù)據(jù)時(shí)，通信服務(wù)端將此消息中的目的地址（格式如表 1 所示）取出，并循環(huán)查詢(xún)所連接的終端中的地址，找出此地址并將消息轉(zhuǎn)發(fā)給它；當(dāng)數(shù)據(jù)中心向終端發(fā)送消息時(shí)，按照實(shí)際需求，可以將指令群發(fā)給終端，也可以根據(jù)之前收到的終端的數(shù)據(jù)信息中的終端源地址有目的地發(fā)送消息，通信接口程序都能將消息準(zhǔn)確地接收和發(fā)送。

3　系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)主要由水源地地理信息、水質(zhì)遠(yuǎn)程查詢(xún)與分析、水質(zhì)水污染應(yīng)急預(yù)案、報(bào)警綜合管理和移動(dòng)終端等模塊組成。系統(tǒng)的主要模塊如圖 4 所示。

圖4　水污染監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊圖

3.2系統(tǒng)各模塊具體功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1水源地地理信息模塊

由分布在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息采集傳感單元從水源地采集水情、工情數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)值的分類(lèi)存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、管理和顯示，建立水源地的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)［7］、基本情況表、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)圖形和非圖形屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，以及水源地基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、基本情況表和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新維護(hù)。

3.2.2水質(zhì)遠(yuǎn)程查詢(xún)與分析模塊

依托地理信息系統(tǒng)，根據(jù)不同的索引，對(duì)一定時(shí)期的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行查詢(xún)和分析。該系統(tǒng)集納了水源地的實(shí)時(shí)雨水情、飲用水源保護(hù)、污染源、水系、水資源和水質(zhì)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括 pH，DO，COD，藻化等水質(zhì)的物理量指標(biāo)和酚、氰化物、汞、砷、硌、鎘、鉛、銅等重金屬超標(biāo)準(zhǔn)含量［8］。通過(guò)該系統(tǒng)適時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)將分析結(jié)果、水質(zhì)類(lèi)型等信息發(fā)布出去，方便用戶對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行瀏覽和下載。

3.2.3水質(zhì)污染應(yīng)急預(yù)案模塊

1）應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化。應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化是指應(yīng)急預(yù)案經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)化、信息化、智能化的過(guò)程，使應(yīng)急預(yù)案真正成為應(yīng)急管理工作中可操作、可視化、可考察、可量化的應(yīng)急預(yù)案［9］。a. 將文本預(yù)案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解；b. 分析應(yīng)急預(yù)案流程圖，將預(yù)案流程圖與各種信息資源關(guān)聯(lián)，收集水污染事件的典型案例，參考專(zhuān)家制定的預(yù)案模型，將預(yù)案中的對(duì)象數(shù)字化，構(gòu)建知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)；c. 根據(jù)知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)開(kāi)發(fā)應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化。

2）水污染預(yù)警決策支持。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，針對(duì)不同的水質(zhì)污染狀況、污染物濃度的時(shí)空分布情況、控制指標(biāo)及污染源排放情況進(jìn)行污染預(yù)估，并盡快確定合理有效的水質(zhì)污染處理方案。

系統(tǒng)建立包括模型參數(shù)庫(kù)、預(yù)警方案庫(kù)和規(guī)則庫(kù)在內(nèi)的決策支持庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真、制定相應(yīng)預(yù)警流程、劃分預(yù)警發(fā)布等級(jí)（黃色、橙色、紅色分別對(duì)應(yīng)一，二，三級(jí)報(bào)警等級(jí)），建立了一整套完善的預(yù)警決策體系。在發(fā)生水質(zhì)污染事故時(shí)，迅速確定污染地點(diǎn)，明確污染物種類(lèi)，及時(shí)確定污染強(qiáng)度最大點(diǎn)，由此確定隔離范圍、防護(hù)范圍、安全距離（區(qū)域）并及時(shí)公布水質(zhì)污染應(yīng)急預(yù)案與防治對(duì)策。

3.2.4報(bào)警綜合管理模塊

1）設(shè)備故障報(bào)警。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)判流量和水質(zhì)傳感器等設(shè)備故障并以鳴響和信號(hào)燈閃爍方式報(bào)警，設(shè)備故障按照影響嚴(yán)重程度劃分為 4 個(gè)等級(jí)：a. I 級(jí)故障。整個(gè)系統(tǒng)完全癱瘓，不能運(yùn)行。b. II 級(jí)故障。系統(tǒng)性能?chē)?yán)重下降，如網(wǎng)絡(luò)性能明顯下降、設(shè)備出現(xiàn)故障或軟件系統(tǒng)出現(xiàn)非癱瘓性錯(cuò)誤等，導(dǎo)致客戶業(yè)務(wù)受到嚴(yán)重影響。c. III 級(jí)故障。系統(tǒng)部分設(shè)備或者軟件出現(xiàn)故障，但整個(gè)系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行，客戶業(yè)務(wù)運(yùn)作受到一定影響。d. IV 級(jí)故障。需要軟硬件產(chǎn)品功能、安裝或配置方面的信息和支援，客戶的業(yè)務(wù)運(yùn)作幾乎或者根本沒(méi)有受到影響。對(duì)于 I，II，III，IV 級(jí)故障，技術(shù)服務(wù)人員將分別在 2，4，6，8 h 之內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，最短時(shí)間內(nèi)解決故障，分別按照相應(yīng)預(yù)案進(jìn)行處理。

2）水位雨量報(bào)警。主要功能是對(duì)水源地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)水位狀況、雨量大小，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并以短信方式報(bào)警，防止因?yàn)樗吹厮贿^(guò)低或過(guò)高造成危害。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備能夠自動(dòng)對(duì)水源地水位、雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)水位和雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)水位雨量報(bào)警級(jí)別，同時(shí)添加對(duì)應(yīng)報(bào)警級(jí)別應(yīng)急預(yù)案，記錄水位報(bào)警后的變化過(guò)程。

3）水質(zhì)污染報(bào)警。水質(zhì)污染是指原水感官性狀、無(wú)機(jī)污染物、有機(jī)污染物、微生物和放射性等五大類(lèi)指標(biāo)異常，導(dǎo)致出廠水質(zhì)和制水生產(chǎn)過(guò)程受到不同程度的影響，對(duì)人體健康和供水水質(zhì)造成危害的水質(zhì)狀況［10］。通過(guò)該報(bào)警子系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染，以短信方式報(bào)警，并公布水質(zhì)污染類(lèi)型、污染程度、發(fā)生的地點(diǎn)和范圍、污染源地理分布圖、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及防護(hù)措施與治理方案，降低水質(zhì)污染對(duì)人體健康、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)等造成的危害。

3.2.5移動(dòng)終端模塊

1）水質(zhì)信息錄入。實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的遠(yuǎn)程錄入，系統(tǒng)用戶可以在移動(dòng)終端將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便系統(tǒng)用戶查詢(xún)和分析［8］。該系統(tǒng)不僅記錄了水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還記錄了水源地的地點(diǎn)、操作人員、操作時(shí)間等必要的信息。

2）手機(jī)水質(zhì)污染取證上報(bào)。除了由分布在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息采集傳感單元對(duì)水量、水位和水質(zhì)信息進(jìn)行采集外，還可以通過(guò)手機(jī)水質(zhì)污染取證上報(bào)系統(tǒng)獲取水質(zhì)污染數(shù)據(jù)。若移動(dòng)終端用戶發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染現(xiàn)象，可以及時(shí)拍照取證并上傳到系統(tǒng)。待相關(guān)技術(shù)人員接收檢驗(yàn)后，給予用戶答復(fù)，并把污染數(shù)據(jù)發(fā)送給水質(zhì)污染報(bào)警子系統(tǒng)，及時(shí)給出處理方案和防護(hù)措施。

3）水質(zhì)信息微信查詢(xún)。用戶通過(guò)關(guān)注水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)的微信公眾號(hào)，以時(shí)間和監(jiān)測(cè)點(diǎn)為索引查詢(xún)水源地水質(zhì)信息。根據(jù)用戶需求輸出監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的日、月、季、年平均數(shù)據(jù)和大小極值，水質(zhì)分析結(jié)果等，公布水源地水質(zhì)類(lèi)型，并對(duì)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的生活用水、飲用水提出警示，通過(guò)各種統(tǒng)計(jì)報(bào)告和監(jiān)測(cè)圖表直觀地顯示水質(zhì)信息。

4　結(jié)語(yǔ)

水源地水質(zhì)污染監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、計(jì)算和管理為一體，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)際特點(diǎn)，采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，綜合運(yùn)用GIS、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、傳感器及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)，對(duì)水源地水質(zhì)、水位和流量等狀況進(jìn)行數(shù)字化采集與存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水源地水質(zhì)、水位和流量等的變化過(guò)程，并將其顯示和發(fā)布給公眾。通過(guò)水源地水情、工情信息采集、應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化、報(bào)警綜合管理和控制，構(gòu)筑形成一整套完善的監(jiān)控體系。劃分了預(yù)警發(fā)布等級(jí)，制定了水質(zhì)污染應(yīng)急防護(hù)措施和處理流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水源地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，有效地為水源地水質(zhì)安全保障提供支持。

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Design and Implementation of Water Pollution Monitor System based on Internet of Things

WU Wenxia1， ZHU Jinxiu1，2， CHEN Fenyuan3， HUANG Jiejie3， ZHAN Wanlin4
（1. College of IOT Engineering， HoHai University， Changzhou 213022， China；2. Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of World Water Valley and Water Ecological Civilization，
Nanjing 211100， China；3. Water Conservancy Design Office of Xuyi County in Jiangsu Province， Xuyi 211700， China；4. Water and Soil Conservation Office of Xuyi County， Xuyi 211700， China）

The water pollution monitor system establishes a set of thorough water pollution monitoring and management system， using Internet of Things framework， as well as making use of the technology of GIS， network communications， multimedia， sensor and computer simulation. This paper introduces the overall structure of the system and describes the design and implementation of network communication and key modules of system. The system realizes the real-time monitoring of water pollution and the comprehensive application of water source monitoring data through the water quality remote inquiry analysis， digitalization of emergency plan and the alarm integrated management. It provides supports effectively for water quality safety and security.

Internet of Things framework； water pollution monitoring； custom data transmission； digitalization of emergency plan

X832

A

1674-9405（2016）04-0036-05

10.19364/j.1674-9405.2016.04.008

2016-05-20

江蘇省水利科技項(xiàng)目（2015077）

吳文霞（1995- ），女，江蘇南通人，本科生，主修物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)。