物联网在河流水质实时在线监测系统的设计与研究

我国是一个水资源极度匮乏的国家，然而随着工厂废水排放日益增多，我国面临的水污染问题变得更加严峻。未经后续净化处理就排放到河中，导致附近的河域受到严重污染。河湖以及地下水受到的污染会直接影响到人们的日常生活，因此保护水资源免受污染迫在眉睫。为了解决水污染问题，保证水资源的质量，水质监测技术开始逐渐发展并不断完善。水质监测主要通过相关技术对水体污染指标进行实时监测，然后对采集数据进行分析，将数据变化幅度和方向作为理论依据，评判出当前水环境的污染情况。

水质监测主要包括人工监测、有线监测与无线监测。人工监测主要是通过采集水体样本并将其带回化验室进行分析从而获取水质数据，该方式需要消耗大量人力与物力资源，且效率低下，无法实时获取水质参数，实验室化验成本也高；有线水质监测技术则是通过RS485或者RS232等通讯方式，将水质监测设备采集数据传回上位机，该方式需要进行各种复杂接线、定点设备安装以及定期维护，比较繁琐；而无线监测技术则是目前比较流行的水质监测方式。无线水质监测分为短距离和长距离，无线短距技术覆盖范围不够广泛，无法在远程监测领域实现更有效的突破。一些传统无线技术功耗高、成本高、信号易干扰、设备长期检测供电不足等问题也不断凸显出来。因此，研究一款覆盖范围广、低功耗、低成本，且持续监测时间更久的无线水质监测系统具有重要意义。

水质监测技术的发展最先起步于国外的一些发达国家。早在发展初步阶段，人们主要采用的还是人工检测方式，这种人为检测方式不但耗费大量的人力资源，而且无法实时准确获取水质参数动态数据，从而进行更详细的数据解析。为了解决该问题，国外开始陆续发展并开发水质自动检测系统。为了解决水体污染问题，美国在20世纪中期，便开始研究水质自动检测装置，并建立水质自动监测仪器，替代了传统的人工检测方式。20世纪70年代，欧洲与日本等国开始陆续建立起水质监测系统，但由于当时的科技水平限制，水质监测系统装置的效率并不是很高。直到20世纪80年代，电子科学技术、计算机技术以及定位技术的发展日趋成熟，发达国家陆续搭建可以连续监测水资源污染状况的水质监测系统，用于测量水的温度、电导率、PH值以及浊度等参数，检测效率得到极大提高。与此同时，我国也开始陆续开发水质自动检测设备，在全国多数河流、湖泊等水域建立起多个数据监测站点，构建了覆盖全国主要河域的水质检测网络体系，相比于传统水质检测方式效率得到极大提高。

随着仪器行业不断发展与进步，市场上各个企业陆续设计出一些集成式、功能多样化的水质检测分析设备，我国水质检测技术也因此得到完善与改进。近年来，聚光科技与连华科技等公司在水质监测领域获取的成果较为显著。

其中，聚光科技公司设计了一款高锰酸盐监测仪SIA-2000(IMN)，该仪器结合化学氧化技术与光度滴定技术实现对水体样本的监测，该仪器维护成本、运行工作量低，自带定时测量与周期测量功能，可按照现场监测状况自行设定，便于现场应用。

5B-6C（V11)多参数水质检测仪由连华科技公司开发，该仪器能测量浊度、氨氮、COD和总磷4种参数，一般用于日常用水与生产废水检测。该仪器带有升温、定时、延时保护及水体样本处理功能，同时，检测的水质数据能够以曲线图形式显示在屏幕上。虽功能丰富，但不具备远程无线传输功能。

经上述分析可知，国内外水质监测技术虽日趋完善与丰富，但仍然存在不足之处。尽管部分仪器能实现高精度测量，但是一般都仅限于现场监测或是在特定范围内实现远程传输，且信号易受干扰，在大范围、大规模应用场景下往往不能发挥其优势，因此，水质监测技术在远程实时监控方面还有待改进。

通过上述分析，开发一种河流水质多参数在线远程监测系统以实现对河域水环境的实时监测，将有效地预防河域水资源污染并提高河域水资源保护效率。基于此研究并设计一种基于NB-IoT的河流水质在线监测系统，系统分为水质采集终端和上位机监测端。系统以STM32F103C8T6为主控芯片，结合多参数水质传感器、北斗定位模块、光电转换模块和NB-IoT无线通信模块开发了河域水环境采集终端；利用有人IoT云平台实现了设备接入、数据查询显示、实时定位、手机报警推送功能，并基于Labview编程语言、HTTP协议与POST传输方式，设计开发了集成式的水质参数监测上位机，实现了水质参数的远程监控。

该系统结合传感器技术、无线传输技术、光伏发电技术、互联网技术及Labview编程技术，构建了一个集成式监控管理平台，实现了河流水质参数与地理位置等信息的数据采集、远距离传输和智能管理。监测人员可以实时远程、快速、高效地获取各项水质信息，并分析水质状况，当水质出现异常时，可迅速采取治理措施加以改善。

系统主要分为水质采集终端、数据传输部分、上位机监测系统。

设计系统采集终端。该终端能够实时采集河流的水温、PH值、浊度值、溶解性固体量水质信息以及水域监测点地理位置信息，并通过NB-IoT无线通信模组实现数据的远程传输；通过设计光电转换电路，实现太阳能对终端电池的蓄充，可有效延长终端持续监测时间。

设计系统数据传输部分。基于CoAP传输协议设计采集终端与云平台之间的数据传输协议，并定义其传输格式，实现数据高效传输；通过温度补偿算法，对采集数据误差值进行补偿，从而提高数据精度。

设计系统上位机监测部分。基于有人云平台进行二次开发，实现平台设备接入、数据查询、组态界面显示、实时定位、手机报警推送功能；结合HTTP协议与POST交互方式，基于Labview编程技术开发水质监测上位机，实现用户登录、数据查询、数据波形显示及阈值超标报警功能。

经测试，系统基本实现了预期效果，可实时远程监控河流的水质污染状况，便于监测人员及时处理。