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基于物聯網的水源水質監測技術研究

文檔作者：楊小令１吳宸暉１韓峰１孫通１劉金濤１戚高晟２劉志雄２文檔來源：１．揚州大學水利與能源動力工程學院２．浙江水利水電學院水利與環境工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年08月29日
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第２９ 卷 第５ 期
２０１７ 年１０ 月
浙江水利水電學院學報
Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ．Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ． ＶｏＯｌ．ｃ２ｔ９． ２０１Ｎ７ｏ．５ ＤＯＩ： １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－７０９２．２０１７．０５．００８
基于物聯網的水源水質監測技術研究
楊小令１ ，吳宸暉１ ，韓 峰１ ，孫 通１ ，劉金濤１，戚高晟２ ，劉志雄２
（１．揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 ２２５１２７；２．浙江水利水電學院水利與環境工程學院，浙江杭州 ３１００１８）
摘 要：針對我國城鄉各級飲用水源現場監測的特點，采用物聯網架構，實現了對不同理化傳感器和生物毒性傳感器
的兼容，除能監測常規的水溫、溶解氧、ｐＨ 值、電導率和濁度這五個參數外，增加了紫外吸收、斑馬魚生物毒性和大型
蚤生物毒性三種傳感器．采集到的數據在云計算平臺可對８ 種監測數據進行計算、分析、融合，并建立水質監測大數
據庫和分析預測模型，用戶經授權可通過手機客戶端實現遠程實時監測，能有效地對水源水質進行監測和預警．
關鍵詞：物聯網；水源水質；監測
中圖分類號：ＴＶ２１３ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１００８ －５３６Ｘ（２０１７）０５－００３２－０４
Water Quality Monitoring Technology Based on Internet of Things
ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉｎｇ１ ， ＷＵ Ｃｈｅｎ－ｈｕｉ１ ， ＨＡＮ Ｆｅｎｇ１ ， ＳＵＮ Ｔｏｎｇ１ ，
ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｔａｏ１ ， ＱＩ Ｇａｏ－ｓｈｅｎｇ２ ， ＬＩＵ Ｚｈｉ－ｘｉｏｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ， Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５１２７， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８， Ｃｈｉｎａ）
Abstract：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｄｒｉｎｋｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ａｌｌ ｌｅｖｅｌｓ ｉｎ ｕｒｂａｎ ａｎｄ ｒｕｒａｌ ａｒｅａｓ
ｉｎ Ｃｈｉｎａ， ｔｈｅ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｏｘｉｃｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ， ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ，
ｐＨ， ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ， ｔｈｅ ＵＶ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ， ｚｅｂｒａｆｉｓｈ ｂｉｏ－ｔｏｘｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｄａｐｈｎｉａ ｍａｇｎａ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｏｘｉｃｉｔｙ ａｒｅ
ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｄａｔａ ｉｓ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｒｖｅｒ ｂｙ ＧＰＲＳ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ．Ｅｉｇｈｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ， ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｌｏｕｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ， ａｎｄ ａ ｌａｒｇｅ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ．Ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｉｚｅｄ
ｕｓｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｃｌｉｅｎｔ．Ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｇｉｖｅｎ ｏｎｃｅ ｔｈｅ ｄａｔａ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｒａｎｇｅｓ ．Ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｘｐａｎｄｓ
ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ， ｇｉｖｅ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ， ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ
ｑｕａｌｉｔｙ．
Key words：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ； ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
收稿日期：２０１７－０７－１１
基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目（２０１２ＢＡＪ２５Ｂ００）；
浙江省自然科學基金資助項目（ＬＹ１７Ｄ０３０００１）
作者簡介：楊小令（１９６０ －），男，山東招遠人，講師，研究方向為
水質監測、水下機器人．
目前，飲用水源作為人類的基本需求［５］ ，其水
質狀況受到各種生產、生活污染的威脅，特大污染
事故頻頻發生［５］ ．而我國環境監測由多個職能部門
管轄，一旦突發水污染事件，將會牽涉到水利、環
保、交通、供水、城市建設和規劃等多家部門，不同
層級的政府和部門難以在第一時間做出一致的反
應．國家雖頒布了水源水質監測標準，投入了大量
資金，建設了成千上萬的水質自動監測站［５］ ，但是
監測效果依然很不滿意．究其原因，主要有３ 個方
面：（１）監測項目太少，絕大多數水質監測站只能自
動監測水溫、溶解氧、ｐＨ 值、電導率、濁度５ 種水質
參數，可以及時反映無機污染物，但對面廣量大的
萬方數據
有機污染物卻無能為力；（２）監測設備價格高，都在
十幾萬到上百萬之間，很難普及到縣級、鄉級水源監
測應用；（３）技術復雜，運行維護費用高，每個自動監
測站，每年需要５ 萬元以上，基層用不起．因此，研究
經濟適用的水源水質監測技術和儀器是關系廣大人
民群眾生命安全的一件大事，是一項急迫任務．
1 功能需求分析
飲用水源地水質的監測一般分為理化監測和
生物毒性監測兩種方法．理化監測客觀性強，重復
性好，但是監測指標少，漏報率高；生物毒性監測廣
譜性好，綜合性強，可以反映各種毒物的單獨作用
和聯合作用，但是易受干擾，誤報率高．所以，應將
理化監測和生物毒性監測聯合使用，優勢互補，才
能更及時、更準確地反映水源水質．
本文在針對我國城鄉各級飲用水源的監測需
求分析后認為其應具備以下基本功能．
（１）監測對象：需對飲用水源的水溫、溶解氧、
ｐＨ 值、電導率、濁度、紫外吸收、斑馬魚生物毒性、
大型蚤生物毒性８ 種參數進行監測．
（２）監測時效性：浮標采用間斷工作，工作時間
∶休眠時間為１∶１１，在正常供電的情況下每隔
３０ ｍｉｎ采集１ 次８ 種水質參數，一次充滿可在連續
陰雨的情況下連續工作８ ｄ．
（３）監測數據處理：８ 種水質數據，經ＧＰＲＳ 無
線通訊模塊發送到服務器，在云計算平臺對數據進
行計算、分析、融合，并建立水質監測大數據庫和分
析預測模型，一旦參數超標能及時預警，并能在手
機客戶端顯示水質變化曲線圖，比對每天的水質參
數波動情況，能直觀地分析所測水源的水質情況．
2 監測系統設計
本文基于上述功能需求分析，研究設計了基于
物聯網的水源水質監測技術，與自主研發設計的基
于多波長的濁度和紫外吸收集成傳感器、斑馬魚、
大型蚤生物毒性傳感器等８ 種水質傳感器進行對
接，實現一個水源水質監測自動測報系統，監測設
備為浮標，并可通過手機客戶端實時監測水源水
質，對超出指標進行預警［４ －６］ ．
2．1 總體設計
基于物聯網的水源水質監測系統分為感知層、
網絡層和應用層［７］ （見圖１）．
圖１ 系統總體設計圖
2．2 關鍵技術
２．２．１ 太陽能供電模塊
該模塊由單晶硅太陽能電池板、免維護鉛酸電
池和智能控制器組成（見圖２）．除具有過充、過放、
電子短路、過載保護、防反接保護功能外，自主研發
了低壓提升電路，擴大了太陽能電池向鉛酸電池充
電的時段．鉛酸電池一次充滿可在連續陰雨的情況
下連續工作８ ｄ．如果連續陰雨＞８ ｄ，單片機管理的
智能供電技術可以增加監測周期，最大限度地保證
每天監測得到的水質數據數量．
圖２ 太陽能供電模塊
第５ 期 楊小令等：基于物聯網的水源水質監測技術研究 ３３
萬方數據
２．２．２ 水質自動檢測設備
在８ 種水質傳感器中，水溫、溶解氧、ｐＨ 值、電導
率４ 種傳感器因國產品牌傳感器質量好、價格低，無
需自己研發，直接選用上海儀電科學儀器股份公司的
雷磁牌產品，型號分別為溶解氧電極ＤＯ －９７５（含水
溫電極）、ｐＨ 電極Ｅ －２０１ －Ｃ、電導電極ＤＪＳ －１Ｃ．
濁度傳感器和紫外吸收傳感器都是光學傳感
器，二者原理（見圖３）與結構相似度高，測量紫外吸
收時必須扣除濁度的影響，因此可將二者集成為一
體．測量時，依次打開６３５ ｎｍ 紅光光源、５２０ ｎｍ 綠
光光源、４７０ ｎｍ 藍光光源、２５４ ｎｍ 紫外光源，根據４
種波長的透射光與９０°散射光的光強，可求出濁度
和紫外吸光度．
圖３ 濁度與紫外吸收集成傳感器原理圖
斑馬魚生物毒性傳感器是根據斑馬魚的生性
設計的游泳行為監測裝置（見圖４）．該裝置上部設
有白光照明燈模擬自然光，前側面中部的紅外ＬＥＤ
發光二極管和后側面中部的紅外光敏二極管形成
一道水平方向的線陣光柵欄．當斑馬魚垂直游泳
時，會穿越線陣光柵欄，遮擋紅外光束，光敏二極管
阻值升高，輸出高電平，產生一個脈沖．單片機收集
１ ｍｉｎ 脈沖數，經存儲、編碼，發送給監測中心服務
器．當斑馬魚中毒癥狀加重時，垂直游泳穿越光柵
欄次數明顯減少．
圖４ 遮光計數法原理圖
大型蚤生物毒性傳感器是根據大型蚤生物的
趨光性設計的監測裝置（見圖５）．上、下部兩側設置
了一排ＬＥＤ 白光照明燈，前后兩側面中部安裝了紅
外ＬＥＤ 發光二極管和紅外光敏二極管形成交錯的
兩道水平方向的線陣光柵欄．監測時，先打開下部
白光照明燈，引誘大型蚤趨光向下運動，此時段單
片機不計數；然后再打開上部白光照明燈，引誘大
型蚤趨光向上運動，這段時間單片機計數．當大型
蚤中毒癥狀加重時，趨光穿越光柵欄次數明顯減
少，可以用趨光性被抑制５０％表示顯著中毒．
２．２．３ 安卓手機客戶端與服務器交互
服務器側架設了一套以ＨＴＴＰ 請求為主要方式
的ＡＰＩ 接口，滿足ＧＥＴ 和ＰＯＳＴ 兩種方式的請求，
返回的數據格式是ＪＳＯＮ．整套ＡＰＩ 采用ＭＶＣ 架構，
業務層處理業務邏輯，用戶層返回規格數據，控制
層調度各請求．同時為保證數據安全性，會對各接
口的請求參數通過ＭＤ５ 參數簽名方式進行傳遞，保
證請求參數的正確性、完整性及時效性．數據庫采
用ＭｙＳＱＬ，并對整個ＤＡＯ 層進行了封裝，滿足對各
查詢語句的增、刪、改、查的需求（見圖６），實現表到
圖５ 大型蚤趨光性監測裝置 圖６ ＡＰＰ 界面
３４ 浙江水利水電學院學報 第２９ 卷
萬方數據
對象實體的映射．主要實現的接口有：（１）登錄驗
證；（２）分頁取數據（水源地址、８ 種水質參數名）列
表；（３）獲取各參數的實時數據詳情；（４）獲取各參
數７ ｄ 內的歷史參數以折線圖形式呈現反映參數波
動情況．
3 系統實現
在ＳＴＭ３２ 單片機的控制下，浮標每隔３０ ｍｉｎ 采
集１ 次水溫、溶解氧、ｐＨ 值、電導率、濁度、紫外吸
收、斑馬魚生物毒性、大型蚤生物毒性８ 種傳感器的
水質數據，經ＧＰＲＳ無線通訊模塊發送到服務器，在
云計算平臺對數據進行計算、分析、融合，并建立水
質監測大數據庫和分析預測模型．若分析得出指標
超出正常范圍，系統能及時做出預警．用戶經授權也
可通過手機客戶端實現遠程實時監測，并能通過水
質變化曲線圖比對每天的水質參數波動情況，直觀
地分析所測水源的水質情況．太陽能物聯網水質監
測浮標由儀器艙①、生物毒性傳感器艙② 、理化傳感
器艙③、防護罩④組成（見圖７）．
為了保證生物毒性傳感器模塊在嚴寒和酷暑正
常運行，可以增加大型太陽能浮箱．大型太陽能浮箱
安裝了３００ Ｗ 的大功率太陽能供電模塊， 向半導體加
熱制冷模塊供電， 使斑馬魚、大型蚤試驗水槽處于２０
～３０ ℃ 的水溫［５］ ，實物設計（見圖８）．
圖７ 太陽能物聯網水質監測浮標 圖８ 太陽能物聯網水質監測浮標現場試用
太陽能物聯網水質監測浮標已在江蘇省揚州
市儀征月塘水庫投入試用，運行狀況良好．同時，基
于物聯網的水源水質監測技術的應用，有效保障了
飲用水源水質的長期潔凈．
3 結 語
以物聯網為基礎，以大數據、云計算、ＧＰＲＳ、理
化傳感器、生物毒性傳感器等為技術手段，設計出
的我國城鄉各級飲用水源監測需求的水源水質監
測技術，可實現實時連續性動態監測，有效擴大了
監測范圍，將分散的監測站組合成網絡，能更及時、
更靈敏地發現水污染并進行預警，大幅度降低了漏
報率和誤報率；并能實現數據資源共享，在服務器
將８ 種監測數據存儲、處理、分析和融合，更易建立
水質監測大數據庫和分析預測模型．因此，該項技
術能在水源水質監測實施過程中得到廣泛應用，有
效保障數億公眾飲水安全．
參考文獻：
［１］ 朱麗芳，周文軍，王經委．杭嘉湖地區飲用水源有機農藥污染
現狀調查與分析［Ｊ］．浙江水利水電學院學報，２０１２，２４（２）：５１
－５４，５９．
［２］ 胡 琳，盧 衛．浙東（大陸）地區水功能區水質現狀及其改善
對策［Ｊ］．浙江水利水電學院學報，２０１３，２５（２）：４１ －４３．
［３］ 于 強．水質遠程監測數據采集系統設計［Ｄ］．大連：大連理
工大學，２００７．
［４］ 趙聰蛟，周 燕．國內海洋浮標監測系統研究概況［Ｊ］．海洋開
發與管理，２０１３，３０（１１）：１３ －１８．
［５］ 吳文霞，朱金秀，陳奮遠，等．基于物聯網的水質污染監控系統
的設計與實現［Ｊ］．水利信息化，２０１６，８（４）：３６ －４４．
［６］ 趙聰蛟，何志強，周 燕．浙江省海洋水質監測浮標設計與實
現［Ｊ］．海洋技術學報，２０１５，３４（５）：３７ －４２．
［７］ 彭 程，吳華瑞，繆祎晟．村鎮河道水質在線監測系統的設計
與實現［Ｊ］．計算機工程與設計，２０１５，３６（９）：２５６１ －２５６６．
［８］ 周忠育，張仁貢．基于物聯網技術的智慧水電云監管平臺的設
計與應用［Ｊ］．浙江水利水電學院學報，２０１６，２８（３）

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