基于物联网的海洋水质智慧观测解决方案研究 -基于物联网的水资源监测系统设计

8 @9 p! `; Y6 O a

近年来，随着各国对海洋的开发与利用，海洋环境污染逐渐加剧，生态环境受到严重破坏，为了有效开发和利用海洋资源、保护海洋环境生态、促进海洋科学研究以及加快海洋经济发展，海洋生态环境监测与保护势在必行。

其中，水质监测是海洋生态监测的重要方式之一，随着应用需求和科学技术的发展，水质监测应用范围更加广泛。

* A3 Y' a# U# v Y. A' I0 [

本文以海洋监测基础理论为指导，从海洋观测现状、现实需求以及物联网技术、无线通技术和计算机软件技术的发展出发，提出了研究课题“基于物联网的海洋水质智慧观测解决方案”。

u- Y8 ]/ T J9 D7 @

岸基水质监测平台和应用

- Q, Q+ g0 q: \0 C/ J S" G

岸基水质监测平台是指建设在沿海、岛屿或其他海上建筑物等所设立的固定式海洋观测平台，主要用于对近岸水质和生态环境的监测。

岸基水质监测平台较灵活，可以根据不同的应用场景组合成不同的监测系统。监测内容包括风速、风向、气压、PH、电导率、盐度、温度、溶解氧、浊度、悬浮物、叶绿素、化学含氧量、重金属等，岸基水质监测系统基本构成框如图所示。

( ]% r) n8 s0 S& f& P0 J

岸基水质监测平台较灵活，可以根据需要组合成不同的监测系统，通过组合集成为适用于岸站、浮标、潜标、船测和坐底等不同观测方式的岸基水质监测系统，主要讨论岸基监测平台中固定点、浮动点和船测这三种观测方式的应用。

海基水质监测平台和应用

+ F5 r4 q/ v3 W! a8 I" g; k' C

海基水质监测平台是指应用在远洋中海表面或海表面以下一定范围内的观测平台。按照应用场景分为多功能海洋监测浮标系统、表面漂流浮标监测系统、拖拽式多参数剖面测量系统、Argo浮标监测系统。

2 S5 ~2 \7 c6 ^" s

多功能海洋监测浮标系统主要适用于海洋环境定点监测场景下，可以观测风速、风向、气温、气压、溶解氧、浊度、叶绿素等水质参数，系统主要由浮标体、气象传感器、数据获取系统、供电管理系统、无线和有线通信系统、数据接收系统等几部分组成，通过通信系统将数据实时地传输到岸站数据接收系统，浮标系统组成与布放如图所示。

多功能海洋监测浮标系统的应用实例有，例如中国气象局研制的奥帆赛区的大型海洋气象资料浮标，用于海面定点监测该浮标可探测水文、气象、生态、气温、相对湿度、气压等多种要素信息，并采用GPRS、CDMA等多种通讯方式将数据传输回监控中心，海洋气象资料浮标实体图如图所示。

& Y a- X* z# l5 o4 Z3 o. q

表面漂流浮标监测系统是一种小型海洋资料浮标，主要用于海洋资料调查、生态环境监测、天气预报和科学实验，作业方式是海面自由移动漂流，所以观测几乎不受海况影响，具有连续采集海洋水文气象数据、自动定位和传输数据地功能，具有全天候使用和监测能力，可以弥补常规探测方法受到天气条件限制地局限。

例如欧共体EUROMAR计划中有一项就是在近海面投放一些小浮标，利用卫星传输的数据来进行初级生产力的测量和估算，试图通过连续测量一些物质的浓度及通量，并结合一些其他的条件和测量值来估算透光层的初级生产力。

- [# E' V+ B2 r \5 p

拖拽式多参数剖面测量系统是一种海洋调查设备，具有集成化和自动化的特点。它能实现不同深度多剖面地海洋要素地同步观测，并获得高水平空间分辨率的数据资料，成为海洋监测中必不可少的一种先进地监测技术，拖拽式多参数剖面测量系统如图所示。

5 w8 i( ?! U9 ]# ^6 z

2 @5 H% [4 d i, _$ h

拖拽式多参数剖面测量系统应用实例有，如热带海洋与全球大气计划、世界大洋环流实验、全球海洋生态系统动力学研究计划和全球海洋通量联合研究计划等，这些系统搭载常规的海洋调查设备，同时可根据需要搭载具有特定要求的传感器，收集的数据储存在拖拽系统上或者直接利用缆线传输到船上监控中心。

Argo浮标监测系统，Argo是一种可以漂流式测量温度、盐度、深剖面等参数的海洋仪器。浮标在水中自由漂流，按预定的程序自动上升、下降和数据采集，通过卫星通信方式发送监测到的数据，Argo浮标结构如图所示。

0 B6 a0 r6 a" b- _* n

T9 @$ p1 s: \" Z1 _/ S& }. G

海底水质监测平台和应用

: o5 k$ Z" A" z6 o$ w

海底水质监测平台是指应用在远洋中海底的观测平台。海底水质监测平台按照应用场景可以分为海床基监测系统、潜标监测系统、海底缆系观测网系统。

海床基监测系统主要是用于长时间获取水下多项观测资料，备可以进行固定地点、长时期、连续、多参数的自动化观测。

' \+ o! N$ t/ b) p! ^& }

系统可配置声学仪器，将水下监测数据如水位、海流、海底温度、盐度等因子，以水声通信的方式传送到水面浮标系统，再由浮标系统通过卫星通信或无线通信转发到陆地上观测基站，实现监测数据的实时传输，海床基观测结构如图所示。

0 \7 B, l, s2 a6 k* k4 I3 _. I

海床基监测系统应用实例有，例如国家海洋技术中心研究的浅海海床基，可在近海海底连续工作3个月，对波浪、水位、海流、温度、盐度等海洋要素因子进行监测，收集到的数据通过缆线或者水声通信传输到水面浮标系统，再由浮标系统通过卫星通信或无线通信转发到陆地基站，其工作过程如图所示。

3 k# M: N, T, W4 v/ [

5 n1 @% [+ c. `( u& a- G

潜标监测系统是指应用场景在海表面以下，可以通过装置回收的单点锚定观测系统，可以获取水下剖面的温度、盐度、海流等海洋环境因子。

潜标系统一般由水下部分和水上机组成，水下部分一般由主浮体（标体）、测量仪器、浮子、锚、声学释放器等组成，潜标系统组成如图所示。

潜标监测系统应用实例有例如美国的“百慕大实验站锚泊系统（BTM）”，主要用于检测海流、温度、电导率和生物/化学等要素，系统利用锚泊缆绳传送给海面浮标，全部测量数据由卫星传送，当巡航的调查船靠近BTM时，浮标可通过无线电通讯，直接把数据下载给它。

$ _, R. D. y* I7 a$ W6 X' p

海底缆系观测网系统是通过缆线，将布置在海底的各种观测设备整合成一个局域网，并使用缆线与岸上的测站接驳，实现对海底水下环境因子的实时观测，主要观测部署区域的化学、生物和地质等海洋资料，海底缆系观测网系统工作流程如图所示。

$ u; i3 k" a1 d, `) k: X* [, w

海底缆系观测网应用实例有，例如美国的OOI海洋观测网，OOI观测网由近岸观测网、区域观测网、全球观测网、信息基础设施几个部分构成，OOI通过多种传输相结合的观测手段，获取海底到海表面多种关键的海洋环境数据。

基于浮标的固定点观测方案

* [# T5 k3 c: C4 c

基于浮标的近海岸固定点观测方案如图所示，适用于使用浮标作为数据采集终端载体的海表面固定点观测场景。

该方案主要涉及数据采集终端、通信部分和岸基部分三部分。数据采集终端集成了多种水质传感器、微处理、通信模块以及搭载它们的浮标平台，负责海洋水质数据的采集、处理和发送；通信部分包括无线通信方式、移动通信网络方式和卫星通信方式。

6 |. q1 _0 j3 q

负责观测数据和控制指令的传输，岸基部分主要是海洋监测数据管理中心，一方面负责接收观测数据和发送控制指令，另一方面负责海洋观测数据的集中管理及综合应用。

7 A, g, P" k) C# D5 i9 {

8 k7 C1 p+ J: }4 P$ [; P% v* y' H

基于潜标或海床基的固定点观测方案

基于潜标或海床基的近海岸固定点观测方案如图所示，适用于使用潜标或海床基作为数据采集终端载体的海底固定点观测场景。

该方案主要涉及数据采集终端、通信部分和岸基部分三部分。数据采集终端集成了多种水质传感器、声学通信模块、搭载它们的潜标或海床基平台，还有负责数据接收和转发的海表面浮标，合作完成海洋水质数据的采集、处理和发送。

通信部分包括无线通信方式、移动通信网络方式和卫星通信方式，负责观测数据和控制指令的传输；岸基部分主要是海洋监测数据管理中心，一方面负责接收观测数据和发送控制指令，另一方面负责海洋观测数据的集中管理及综合应用。

# Q# F& {/ m; D! u7 K; {) X

0 ?' F" H+ q# g) r' G' w, E

基于海底观测网的固定点观测方案

/ v9 Z( R7 d1 D

基于海底观测网的近海岸固定点观测方案如图所示，适用于使用海底观测网作为数据采集终端载体的海底固定点场景。

! I4 N) d2 r) S& Q/ t

该方案主要涉及数据采集终端、通信部分和岸基部分三部分。数据采集终端集成了多种水质传感器、搭载它们的海底观测网平台，负责海洋水质数据的采集、处理和发送。

1 X# q: g7 c3 B

通信部分使用海底电缆，负责观测数据和控制指令的传输；岸基部分主要是海洋监测数据管理中心，一方面负责接收观测数据和发送控制指令，另一方面负责海洋观测数据的集中管理及综合应用。

9 l! _7 K5 P* f- }+ Z

- b/ F) ]2 A+ Z- ^* V

近海岸水质监测系统总体设计

7 c0 E+ W7 L7 s3 A0 P

数据采集层主要负责数据的采集、处理和传输，由监测节点和网关节点组成。其中，监测节点是集成了多种水质传感器、微处理器和无线通信模块的水质数据采集单元，部署在监测区域内的多个监测点上。

C |' T; [; m3 B; O

网关节点是数据采集层与数据通信存储层之间数据传输的桥梁，通过无线通信模块与监测区域内的多个监测节点形成一个星型的拓扑网络结构，用于监测节点和网关节点之间进行数据双向数据流动。

网关节点一方面接收来自监测节点的数据并将其转发到Web服务器；另一方面接收来自PC端的控制指令并将其传输到监测节点，以便控制监测节点的水质数据采集工作。

, n4 E8 S: e( C

数据通信存储层主要负责监测数据的传输、处理和存储，由MQTT服务器、Web服务器、数据库服务器组成。数据通信存储层将数据采集层的网关数据通过MQTT传输到近海岸监测中心的Web服务器，Web服务器读取传感器数据和判断接收数据的状态，并把处理后得到的监测数据和相关日志记录存入数据库服务器。

T% [$ s! P# n* p

日志记录记录了每条数据对应的时间、设备ID、传感器数据获取状态等信息，方便了解数据质量、进行问题追踪并给出警报信息。

3 }% W7 k: G& h0 \0 e

数据展示控制层通过可视化手段（如地图和图表方式）在PC端或移动端进行监测数据的实时展示、查询、统计和下载，在当数据采集存在异常时进行警报提醒。

根据实际需要，用户可以在PC端设置启动、暂停和数据采集时间间隔的指令，这些指令经网关传输到数据采集层，监测节点硬件系统根据指令控制采集节点的数据采集与反馈。

9 |3 U8 |" `' M8 t& _$ |

% [" O# g; @4 j0 b

结语

6 V. @5 q, ^; z# C, g6 O

测试系统软件方面，移动端的小程序受限，不能开发出比较复杂的系统，下一步打算利用样式自适用让PC端和移动端使用同一套系统，方便多端使用，展示界面还缺少数据预测功能，可以利用已观测构建预报模型进行数据预测。

" e4 d) d" _8 V: W+ v

所以下一步将按照计划进一步优化系统，并进行系统化多方面的实际测试，在本次的经验基础上将进一步探究船基观测方案设计与实现。

2 O1 W/ t% Z7 e/ }3 k" M" Q1 Y" S) d

# l6 k- A Z( c6 D3 p: S6 @