基于物联网的湖泊水域岸线及水质监控技术的研究

发布时间：2016-07-08 21:52

1.引言

到目前为止,世界上越来越多的国家都已将无线传感技术、卫星遥感技术、数据库技术、网络通信技术和管理信息系统相结合,应用于湖泊水质监控之中,在美国、英国和日本等欧亚国家已有相当规模的应用。例如,公司设计制作的一个用于监测海水温度梯度变化的无线传感器网络在大学里,研究人员在校园内湖泊中部署自行设计的基于无线传感器网络的水环境监测系统。同时,以水环境综合评价指其特定项目为基栅的水环境在线监测信息系统也纷纷建立起来。然而,在国内,虽然湖泊监控方法有了一定的发展,但是,大部分省市建立的湖泊在线监测系统水平参差不齐,其中仅仅只有北京、上海、苏州等城市,率先出台了湖泊水污染源在线脏测管理的措施和办法。另外,目前国内的湖泊水污染监控,还主要以人工监拴为主,无法自动实时地进行监测与管理,对出现的危险现象也无法及时地做出报警。综上所述,对以上现存的国内外湖泊监控方法的分析与研究之后,可发现目前存在着以下三点不足:第一,这些湖泊监控方法,主要集中在湖泊水质的监拉,缺乏湖泊水岸线人的行为是否会对湖泊产生污染的监控技术,因为人的行为己经成为湖泊污染的主因。第二,这些湖泊监控方法,也缺乏湖泊水域上人的行为是否会对湖泊产生污染的监控技术。

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2.湖泊监控的关键技术

2.1物联网

物联网IOT的概念,是在1991年被正式提出,在经过几年的发展之后,成为了当今最前沿的计算机科学技术之一,并已经成为新一代信息技术的重要组成部分。物联网,其实就是指物物相连的互联网,可以包含两种不同的含义:第一,物联网的基本构件仍然是互联网,它是任何物品建立在互联网基础上事先约定的协议,主要通过蓝牙、全球定位系统(GPS)和射频识别技术(RFID)等各种信息传感设备,与internet(互联网)连接起来。实际上,它是对原互联网进行延伸和扩展的一种特殊网络;第二,物联网的用户端可以拓展到任何物品与物品之间,使物品之间能够进行信息交换和数据通信,以达到实现智能化地识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络以。

2.2定位技术

定位技术,是属于物联网三层体系结构中的最底层一一感知层。如何确切、快速得到己知件的发生位置,是物联网在应用领域中最为关必的一个重要问题,通常习惯上称作为定位机制。例如,在湖泊生态环境保护应用领域中,需要准确地知道采集得到的水质基本项目指标信息对应着湖泊哪个具体区域;在地下水管腔测应用领域中,需要立刻知道水泄露的具体地点等等。通常,研究员通过获得的定位信息,除了可以用来报告事件发生的地点外,还可以对指定的目标实施跟踪管理,对无线传感网络中的路由进行协助与选择,对网络加以管理等等。因此,在物联网与无线传感网络中,传感器节点的定位精准性与否,对各种应用有着非常重要的作用与意义。

3.湖泊水岸线的实时远程监控..............15

3.1什么是移动物体...........15
3.2基于ZIGBEE的湖泊岸边无线传感网络...........15
3.3湖泊水岸线移动物体的实时远程监控...........16
4.湖泊水域上的实时远程监控...........27
4.1什么是移动物体...........27
4.2基子以I-FI的湖泊水域无线传感网络...........27
4.3湖泊水域上按动物体的实时远程监控...........29
5.湖泊流域水质的实时监控...........42
5.1水质指标信息采集——传感器...........42
5.2信息采集监测节点的设计...........44
5.3湖泊流域水质的实时监控...........46

5.湖泊流域水质的实时监控

5.1水质指标信息采集——传感器

在三水质传感器中,研究员不仅可以看到,诸如氨氮、COD、P三等各种常规单项检测水质指标的数据,还可以利用三系统中自带的数据模型,在此基础上进行二次地开发和实验,考察水中加入不同物质后,分析各种水质指标之间的关联性,进行相关性计算;还可以用来考察此时综合水质是如何变化、呈现何种规律等信息。同时,还可针对所关注湖泊的特征污染物来自行设计相关试验,对其进行针对性地研究。三系统可以通过自学习功能,来建立所观测湖泊相对应的特征污染物数据库。当湖泊中一旦出现此种类型的污染物之后,就可以准确、快速地识别出污染物,并追溯其来源,以达到智能处理、应急预警的目的。通常,可选择上述参数中的至少三种建立模型,也可根据实际情况选择全部或部分参数。

5.2信息采集监测节点的设计

在无线传感网络湖泊水质监测系统中,可以由多个信息采集监测节点组成。每个信息采集监测节点主要由三个模块组成:低功耗芯片组模块、传感器接口模块和电源模块,如图5.2所示。其中,低功耗芯片组模块包括了处理器、射频模块以及低功耗管理模块,低功耗的一体化设计可以方便地对芯片进行修改,以适应低功耗要求。传感器接口模块的设置,可以增加节点设备的灵活性,使该节点连接多种类型的水质传感器。通过配置不同的传感器接口模块,可以使节点设备匹配不同类型的传感器,从而以非常小的代价提供非常高的灵活性。电源模块,主耍为低功耗芯片组模块和传感器接口模块提供电能支持。电源模块,由电源采集模块、电源控制模块以及电源存储模块三个部分組成。由于信息采集节点一般王作在野外,无法获得稳定的有线电源,因此考虑采用太阳能,而电源采集模块负责能量的采集。同时,由于太阳能受时间和天气等外界因素的影响比较大,因此设置电源存储模块,将采集的能量存储起来,供无法获得太阳能的时候使用。电源控制模块负责整个电源模块的管理。

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6.总结与展望

本文主要研究基于物联网的湖泊水域岸线及水质监控技术,其中包括无线传感技术、无线通信技术、定位技术、视频识别技术和水质监测技术等,分别从湖泊水岸线的实时远程监控、湖泊水域上的远程监控与湖泊流域水质的监控3个方面,对人的行为进行定位和湖泊水质进行监控,它们对湖泊生态环境的保护预防能够起到一定作用。第一,在湖泊水岸线四周移动物体的监控技术中,通过组建湖泊岸边无线传感网络,采用基于RSSI的定位思想,来对移动物体进行监控。在对原有RSSI采样值会受湖泊岸边各种因素的影响分析的基础上,提出一种防脉冲干扰滑动平均滤波算法(MAF)。同时,提出一种用于监控湖泊岸边四周移动物体的定位算法,主要通过建立移动物体的距离与函数关系,进行距离测量;然后根据三边测量法的基本原理,来计算出移动物体的二维平面坐标,形成最终定位。

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参考文献（略）

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本文编号：67474