一種基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，包括管理中心服務器、無線通信網絡和置于河湖里的水量水質監測終端，若干個鄰近的水量水質監測終端組成一個ZigBee子網，若干個ZigBee子網通過無線通信網絡將實時水量信息和水質信息傳遞到管理中心服務器，管理中心服務器對城市河流湖泊的水量水質信息進行統一顯示、分析和管理。本發明使用低功耗和低成本ZigBee技術，對城市河湖水量水質監測與管理，能實時監測城市河湖的水量和水質相關信息，及時進行數據傳送和分析計算，并方便水務部門管理的城市河湖水量水質監測與管理系統，對城市河湖的水量和水質進行一體化監測和信息集成，對于確保城市水資源利用安全作用重大。
【專利說明】一種基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統。
【背景技術】
[0002]隨著我國現代化、城市化步伐的加快，作為城市水資源、水環境重要載體的城市河湖出現了一些問題，部分河段或湖泊水量不穩定，水質變差，影響了城市功能的完善和人們生活水平的提高，甚至危及飲水安全，影響濱河濱湖居民的生命安全。隨著人們認識水平的不斷提高，對城市河湖的保護和管理工作日益受到重視。通常，城市河湖的水量監測與水質監測分散于不同的部門，監測信息零散，未能有機融合。許多監測設備為人工定點監測和人工記錄，費時費力，信息共享機制不健全，并且發布時間延遲滯后。整體而言，城市水系監測的信息化、現代化和智能化水平還遠遠不夠。在遇到突發水污染事故、暴雨洪水等極端情景時，監測設備往往力不從心，不能及時監測、掌握、判斷城市水系水量水質的實時狀態和變化趨勢，不能滿足管理部門的實際需求。采用先進的通信技術和監測手段，研發一種低成本、高效率，能實時監測城市河湖的水量和水質相關信息，及時進行數據傳送和分析計算，并方便水務部門管理的城市河湖水量水質監測與管理系統，對城市河湖的水量和水質進行一體化監測和信息集成，對于確保城市水資源利用安全、提高城市水污染事故應急處理的速度和效益作用重大。
[0003]物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。簡而言之，物聯網即為物物相連的互聯網，其核心和基礎仍為互聯網。它具有智能、先進、互聯等三個重要特征，是新一代信息技術的重要組成部分。物聯網的用途廣泛，可應用于智能交通、環境保護、健康醫療、水系監測等多個領域。
[0004]一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都會增加。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是一種低功耗和低成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點，也決定了 ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。目前，ZigBee無線通信技術已日漸成熟，因此可以利用這種技術構建一個基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，為城市水系管理與應急調度決策提供技術支撐。
[0006]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0007]基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，該系統包括管理中心服務器、無線通信網絡、水量水質監測終端。所述的水量水質監測終端用于監測城市河流與湖泊的水位、流速、水質等信息。若干個鄰近的監測終端組成一個ZigBee子網，若干個ZigBee子網通過無線通信網絡將實時水量信息和水質信息傳遞到管理中心服務器，管理中心服務器能對城市河流湖泊的水量水質信息進行統一顯示、分析和管理。
[0008]所述無線通信網絡是基于ZigBee/GPRS/GSM/3G的無線通信網絡。
[0009]所述水量水質監測終端由水位傳感器、流速插桿、流速傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH傳感器、溫度傳感器、COD傳感器、氨氮傳感器、微處理器模塊、Flash數據存儲模塊、ZigBee模塊以及電池電源模塊組成。所述水位傳感器使用水介式超聲波反射測距的原理測定水位，所述流速插桿用于設置和調節流速傳感器的位置，所述流速傳感器使用超聲多普勒原理測定流速，所述溶解氧傳感器用于測定河湖水體中溶解氧的濃度，所述濁度傳感器用于測定河湖水體的濁度，所述PH傳感器用于測定河湖水體的PH值，所述溫度傳感器用于測定河湖水體的溫度，所述COD傳感器用于測定河湖水體的COD含量，所述氨氮傳感器用于測定河湖水體的氨氮含量，所述微處理器通過AD轉換模塊與水位傳感器、流速傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH傳感器、溫度傳感器、COD傳感器、氨氮傳感器等模塊連接，將各類傳感器所測量到的模擬數據量進行AD轉換并將信息存儲在Flash數據存儲模塊中；ZigBee模塊在微處理器的控制下組網連接；對于擔任網關的終端來說還必須在微處理器中實現嵌入式TCP/IP協議棧和GPRS通信模塊，該協議棧在應用層實現HTTP協議、在傳輸層實現TCP與UDP協議、在網絡層實現IP協議，同時為便于調試還實現了 ICMP協議，由于使用GPRS (或3G，可選)通信模塊進行數據上傳在鏈路層實現PPP協議；GPRS通信模塊在微處理器的控制下實現無線通信網絡的附著。所述電池電源模塊使用可充電蓄電池配太陽能電池，電壓為12V。
[0010]本發明提供的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，使用低功耗和低成本ZigBee技術，對城市河湖水量水質監測與管理，能實時監測城市河湖的水量和水質相關信息，及時進行數據傳送和分析計算，并方便水務部門管理的城市河湖水量水質監測與管理系統，對城市河湖的水量和水質進行一體化監測和信息集成，對于確保城市水資源利用安全、提高城市水污染事故應急處理的速度和效益作用重大。管理人員可以方便的通過管理中心服務器查詢到各監測地點的水量水質信息，還可以通過系統服務器對水量水質監測終端發布指令，控制各類傳感器的工作狀態和工作頻次。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統的網絡拓撲結構圖；
[0012]圖2是水量水質監測終端框圖；
[0013]其中，1、水量水質監測終端；2、ZigBee/GPRS/GSM/3G網關；3、ZigBee子網；4、Internet網絡；5、管理中心服務器；6、微處理器；7、ZigBee模塊；8、電池電源模塊；9、水位傳感器；10、故障檢測模塊；11、流速插桿；12、流速傳感器；13、溶解氧傳感器；14、濁度傳感器；15、PH傳感器；16、溫度傳感器；17、COD傳感器；18、氨氮傳感器。
【具體實施方式】
[0014]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0015]下面結合附圖和實施例作進一步說明:
[0016]如圖1所示，整個系統包括管理中心服務器5、Internet網絡4，ZigBee子網3、ZigBee/GPRS/GSM/3G網關2和若干個水量水質監測終端1，該系統基于ZigBee/GPRS/GSM/3G無線通信網絡，構建基于物聯網的水量水質實時監測與分析計算的基礎平臺。
[0017]本發明以城市河流湖泊各監測地點的水量水質監測終端為基礎，通過ZigBee/GPRS/GSM/3G無線通信網絡實現水量水質監測終端與管理中心服務器的通信。由附圖1可見，系統的基本功能是在城市河流湖泊的各監測地點安裝水量水質監測終端1，對監測斷面處的水位、流速及水質信息進行實時監測，并將實時監測信息通過ZigBee/GPRS/GSM/3G網關2、ZigBee子網3和Internet4傳輸到管理中心服務器5。管理中心服務器5接收到各監測斷面的實時監測數據后，再調用系統內部數據庫所儲存的水位、流量、庫容、面積、水質等相關數據，通過分析計算，將水量水質信息發送到值班人員和城市水系管理決策部門。
[0018]由附圖2可進一步分析水量水質監測終端的工作原理。水量水質監測終端通過電池電源模塊8為監測終端提供電源，通過水位傳感器9監測水體的實時水位，通過故障檢測模塊10檢測監測終端的工作狀態，通過流速插桿11調整流速傳感器12的監測水深，通過流速傳感器12監測水體的實時流速，通過流速傳感器12監測水體的實時流速，通過溶解氧傳感器13監測水體的溶解氧含量，通過濁度傳感器14監測水體的濁度，通過PH傳感器15監測水體的PH值，通過溫度傳感器16監測水體的溫度，通過COD傳感器17監測水體的COD含量，通過氨氮傳感器18監測水體的氨氮含量，通過ZigBee模塊7將實時監測信息傳輸到無線通信網絡4。
[0019]基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，所述水量水質監測與管理工作方法的實現步驟如下:
[0020]I)水量水質監測終端安裝在城市河流的某一斷面或湖泊的某一位置，通過水位傳感器監測安裝地點水體的實時水位信息，通過流速傳感器監測安裝地點水體的實時流速信息，通過溶解氧傳感器監測安裝地點水體的溶解氧信息，通過濁度傳感器監測安裝地點水體的濁度信息，通過PH傳感器監測安裝地點水體的PH值，通過溫度傳感器監測安裝地點水體的溫度信息，通過COD傳感器監測安裝地點水體的COD含量信息，通過氨氮傳感器監測安裝地點水體的氨氮含量信息，并通過微處理器和ZigBee子網對監測到的水量水質信息進行分析匯總，通過網關經互聯網發送出去；
[0021]2)被發送出去的水位信息、流速信息以及各類水質信息通過無線通信網絡經互聯網傳輸到管理中心服務器；
[0022]3)管理中心服務器內部安裝有專門的城市河湖水量水質信息數據庫系統，可以對接收到的各監測地點的水量水質信息進行保存。對于位于湖泊的監測終端，管理中心服務器根據監測終端的地點從系統內部保存的“湖泊水位-湖泊水量”曲線上可以計算湖泊儲存的實時水量信息。對于位于河流的監測終端，管理中心服務器根據監測終端的地點從系統內部保存的“河流水位-河流斷面面積”曲線上查找到實時斷面水位所對應的實時斷面面積，然后根據流速計算監測河流的實時流量；
[0023]4)管理人員可以通過管理中心服務器查詢到各監測地點的水量水質信息，還可以通過系統服務器對水量水質監測終端發布指令，控制各類傳感器的工作狀態和工作頻次。
[0024]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:包括管理中心服務器、無線通信網絡和置于河湖里的水量水質監測終端，若干個鄰近的水量水質監測終端組成一個ZigBee子網，若干個ZigBee子網通過無線通信網絡將實時水量信息和水質信息傳遞到管理中心服務器，管理中心服務器對城市河流湖泊的水量水質信息進行統一顯示、分析和管理。
2.根據權利要求1所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:所述的無線通信網絡是基于ZigBee/GPRS/GSM/3G的無線通信網絡。
3.根據權利要求1所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:所述水量水質監測終端包括微處理器分別及與其連接的ZigBee模塊，電池電源模塊，故障檢測模塊、水位傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH傳感器、溫度傳感器、COD傳感器、氨氮傳感器和流速傳感器，微處理器通過流速插桿調整流速傳感器12的監測水深。
4.根據權利要求3所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:所述水位傳感器使用水介式超聲波反射測距的原理測定水位。
5.根據權利要求3所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:所述微處理器通過AD轉換模塊與水位傳感器、流速傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、PH傳感器、溫度傳感器、COD傳感器、氨氮傳感器模塊連接，將各類傳感器所測量到的模擬數據量進行AD轉換并將信息存儲在Flash數據存儲模塊中。
6.根據權利要求3所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于=ZigBee模塊在微處理器的控制下組網連接，在微處理器中實現嵌入式TCP/IP協議棧和GPRS通信模塊，該協議棧在應用層實現HTTP協議、在傳輸層實現TCP與UDP協議、在網絡層實現IP協議，還實現了 ICMP協議，在鏈路層實現PPP協議，GPRS通信模塊在微處理器的控制下實現無線通信網絡的附著。
7.根據權利要求3所述的基于物聯網的城市河湖水量水質監測與管理系統，其特征在于:所述電池電源模塊使用可充電蓄電池配太陽能電池，電壓為12V。
【文檔編號】G01P5/24GK104251730SQ201410486634
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】王建華, 肖偉華, 魯帆, 周祖昊, 楊貴羽, 胡鵬, 柴福鑫 申請人:中國水利水電科學研究院