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基于物联网的水源水质监测技术研究

文档作者：杨小令１吴宸晖１韩峰１孙通１刘金涛１戚高晟２刘志雄２文档来源：１．扬州大学水利与能源动力工程学院２．浙江水利水电学院水利与环境工程学院		点击数：	更新时间： 2025年08月29日
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上一篇：基于循环经济的武清区水资源可持续利用研究

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第２９ 卷 第５ 期
２０１７ 年１０ 月
浙江水利水电学院学报
Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ．Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ． ＶｏＯｌ．ｃ２ｔ９． ２０１Ｎ７ｏ．５ ＤＯＩ： １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－７０９２．２０１７．０５．００８
基于物联网的水源水质监测技术研究
杨小令１ ，吴宸晖１ ，韩 峰１ ，孙 通１ ，刘金涛１，戚高晟２ ，刘志雄２
（１．扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 ２２５１２７；２．浙江水利水电学院水利与环境工程学院，浙江杭州 ３１００１８）
摘 要：针对我国城乡各级饮用水源现场监测的特点，采用物联网架构，实现了对不同理化传感器和生物毒性传感器
的兼容，除能监测常规的水温、溶解氧、ｐＨ 值、电导率和浊度这五个参数外，增加了紫外吸收、斑马鱼生物毒性和大型
蚤生物毒性三种传感器．采集到的数据在云计算平台可对８ 种监测数据进行计算、分析、融合，并建立水质监测大数
据库和分析预测模型，用户经授权可通过手机客户端实现远程实时监测，能有效地对水源水质进行监测和预警．
关键词：物联网；水源水质；监测
中图分类号：ＴＶ２１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：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
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＪ２５Ｂ００）；
浙江省自然科学基金资助项目（ＬＹ１７Ｄ０３０００１）
作者简介：杨小令（１９６０ －），男，山东招远人，讲师，研究方向为
水质监测、水下机器人．
目前，饮用水源作为人类的基本需求［５］ ，其水
质状况受到各种生产、生活污染的威胁，特大污染
事故频频发生［５］ ．而我国环境监测由多个职能部门
管辖，一旦突发水污染事件，将会牵涉到水利、环
保、交通、供水、城市建设和规划等多家部门，不同
层级的政府和部门难以在第一时间做出一致的反
应．国家虽颁布了水源水质监测标准，投入了大量
资金，建设了成千上万的水质自动监测站［５］ ，但是
监测效果依然很不满意．究其原因，主要有３ 个方
面：（１）监测项目太少，绝大多数水质监测站只能自
动监测水温、溶解氧、ｐＨ 值、电导率、浊度５ 种水质
参数，可以及时反映无机污染物，但对面广量大的
万方数据
有机污染物却无能为力；（２）监测设备价格高，都在
十几万到上百万之间，很难普及到县级、乡级水源监
测应用；（３）技术复杂，运行维护费用高，每个自动监
测站，每年需要５ 万元以上，基层用不起．因此，研究
经济适用的水源水质监测技术和仪器是关系广大人
民群众生命安全的一件大事，是一项急迫任务．
1 功能需求分析
饮用水源地水质的监测一般分为理化监测和
生物毒性监测两种方法．理化监测客观性强，重复
性好，但是监测指标少，漏报率高；生物毒性监测广
谱性好，综合性强，可以反映各种毒物的单独作用
和联合作用，但是易受干扰，误报率高．所以，应将
理化监测和生物毒性监测联合使用，优势互补，才
能更及时、更准确地反映水源水质．
本文在针对我国城乡各级饮用水源的监测需
求分析后认为其应具备以下基本功能．
（１）监测对象：需对饮用水源的水温、溶解氧、
ｐＨ 值、电导率、浊度、紫外吸收、斑马鱼生物毒性、
大型蚤生物毒性８ 种参数进行监测．
（２）监测时效性：浮标采用间断工作，工作时间
∶休眠时间为１∶１１，在正常供电的情况下每隔
３０ ｍｉｎ采集１ 次８ 种水质参数，一次充满可在连续
阴雨的情况下连续工作８ ｄ．
（３）监测数据处理：８ 种水质数据，经ＧＰＲＳ 无
线通讯模块发送到服务器，在云计算平台对数据进
行计算、分析、融合，并建立水质监测大数据库和分
析预测模型，一旦参数超标能及时预警，并能在手
机客户端显示水质变化曲线图，比对每天的水质参
数波动情况，能直观地分析所测水源的水质情况．
2 监测系统设计
本文基于上述功能需求分析，研究设计了基于
物联网的水源水质监测技术，与自主研发设计的基
于多波长的浊度和紫外吸收集成传感器、斑马鱼、
大型蚤生物毒性传感器等８ 种水质传感器进行对
接，实现一个水源水质监测自动测报系统，监测设
备为浮标，并可通过手机客户端实时监测水源水
质，对超出指标进行预警［４ －６］ ．
2．1 总体设计
基于物联网的水源水质监测系统分为感知层、
网络层和应用层［７］ （见图１）．
图１ 系统总体设计图
2．2 关键技术
２．２．１ 太阳能供电模块
该模块由单晶硅太阳能电池板、免维护铅酸电
池和智能控制器组成（见图２）．除具有过充、过放、
电子短路、过载保护、防反接保护功能外，自主研发
了低压提升电路，扩大了太阳能电池向铅酸电池充
电的时段．铅酸电池一次充满可在连续阴雨的情况
下连续工作８ ｄ．如果连续阴雨＞８ ｄ，单片机管理的
智能供电技术可以增加监测周期，最大限度地保证
每天监测得到的水质数据数量．
图２ 太阳能供电模块
第５ 期 杨小令等：基于物联网的水源水质监测技术研究 ３３
万方数据
２．２．２ 水质自动检测设备
在８ 种水质传感器中，水温、溶解氧、ｐＨ 值、电导
率４ 种传感器因国产品牌传感器质量好、价格低，无
需自己研发，直接选用上海仪电科学仪器股份公司的
雷磁牌产品，型号分别为溶解氧电极ＤＯ －９７５（含水
温电极）、ｐＨ 电极Ｅ －２０１ －Ｃ、电导电极ＤＪＳ －１Ｃ．
浊度传感器和紫外吸收传感器都是光学传感
器，二者原理（见图３）与结构相似度高，测量紫外吸
收时必须扣除浊度的影响，因此可将二者集成为一
体．测量时，依次打开６３５ ｎｍ 红光光源、５２０ ｎｍ 绿
光光源、４７０ ｎｍ 蓝光光源、２５４ ｎｍ 紫外光源，根据４
种波长的透射光与９０°散射光的光强，可求出浊度
和紫外吸光度．
图３ 浊度与紫外吸收集成传感器原理图
斑马鱼生物毒性传感器是根据斑马鱼的生性
设计的游泳行为监测装置（见图４）．该装置上部设
有白光照明灯模拟自然光，前侧面中部的红外ＬＥＤ
发光二极管和后侧面中部的红外光敏二极管形成
一道水平方向的线阵光栅栏．当斑马鱼垂直游泳
时，会穿越线阵光栅栏，遮挡红外光束，光敏二极管
阻值升高，输出高电平，产生一个脉冲．单片机收集
１ ｍｉｎ 脉冲数，经存储、编码，发送给监测中心服务
器．当斑马鱼中毒症状加重时，垂直游泳穿越光栅
栏次数明显减少．
图４ 遮光计数法原理图
大型蚤生物毒性传感器是根据大型蚤生物的
趋光性设计的监测装置（见图５）．上、下部两侧设置
了一排ＬＥＤ 白光照明灯，前后两侧面中部安装了红
外ＬＥＤ 发光二极管和红外光敏二极管形成交错的
两道水平方向的线阵光栅栏．监测时，先打开下部
白光照明灯，引诱大型蚤趋光向下运动，此时段单
片机不计数；然后再打开上部白光照明灯，引诱大
型蚤趋光向上运动，这段时间单片机计数．当大型
蚤中毒症状加重时，趋光穿越光栅栏次数明显减
少，可以用趋光性被抑制５０％表示显著中毒．
２．２．３ 安卓手机客户端与服务器交互
服务器侧架设了一套以ＨＴＴＰ 请求为主要方式
的ＡＰＩ 接口，满足ＧＥＴ 和ＰＯＳＴ 两种方式的请求，
返回的数据格式是ＪＳＯＮ．整套ＡＰＩ 采用ＭＶＣ 架构，
业务层处理业务逻辑，用户层返回规格数据，控制
层调度各请求．同时为保证数据安全性，会对各接
口的请求参数通过ＭＤ５ 参数签名方式进行传递，保
证请求参数的正确性、完整性及时效性．数据库采
用ＭｙＳＱＬ，并对整个ＤＡＯ 层进行了封装，满足对各
查询语句的增、删、改、查的需求（见图６），实现表到
图５ 大型蚤趋光性监测装置 图６ ＡＰＰ 界面
３４ 浙江水利水电学院学报 第２９ 卷
万方数据
对象实体的映射．主要实现的接口有：（１）登录验
证；（２）分页取数据（水源地址、８ 种水质参数名）列
表；（３）获取各参数的实时数据详情；（４）获取各参
数７ ｄ 内的历史参数以折线图形式呈现反映参数波
动情况．
3 系统实现
在ＳＴＭ３２ 单片机的控制下，浮标每隔３０ ｍｉｎ 采
集１ 次水温、溶解氧、ｐＨ 值、电导率、浊度、紫外吸
收、斑马鱼生物毒性、大型蚤生物毒性８ 种传感器的
水质数据，经ＧＰＲＳ无线通讯模块发送到服务器，在
云计算平台对数据进行计算、分析、融合，并建立水
质监测大数据库和分析预测模型．若分析得出指标
超出正常范围，系统能及时做出预警．用户经授权也
可通过手机客户端实现远程实时监测，并能通过水
质变化曲线图比对每天的水质参数波动情况，直观
地分析所测水源的水质情况．太阳能物联网水质监
测浮标由仪器舱①、生物毒性传感器舱② 、理化传感
器舱③、防护罩④组成（见图７）．
为了保证生物毒性传感器模块在严寒和酷暑正
常运行，可以增加大型太阳能浮箱．大型太阳能浮箱
安装了３００ Ｗ 的大功率太阳能供电模块， 向半导体加
热制冷模块供电， 使斑马鱼、大型蚤试验水槽处于２０
～３０ ℃ 的水温［５］ ，实物设计（见图８）．
图７ 太阳能物联网水质监测浮标 图８ 太阳能物联网水质监测浮标现场试用
太阳能物联网水质监测浮标已在江苏省扬州
市仪征月塘水库投入试用，运行状况良好．同时，基
于物联网的水源水质监测技术的应用，有效保障了
饮用水源水质的长期洁净．
3 结 语
以物联网为基础，以大数据、云计算、ＧＰＲＳ、理
化传感器、生物毒性传感器等为技术手段，设计出
的我国城乡各级饮用水源监测需求的水源水质监
测技术，可实现实时连续性动态监测，有效扩大了
监测范围，将分散的监测站组合成网络，能更及时、
更灵敏地发现水污染并进行预警，大幅度降低了漏
报率和误报率；并能实现数据资源共享，在服务器
将８ 种监测数据存储、处理、分析和融合，更易建立
水质监测大数据库和分析预测模型．因此，该项技
术能在水源水质监测实施过程中得到广泛应用，有
效保障数亿公众饮水安全．
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