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前沿丨面向水质领域的物联网监测与控制技术

已有 478 次阅读 2020-10-27 10:40 |系统分类:科研笔记

水质监测是水资源管理和保护的重要手段。当前,我国进入了物联网发展的新时期,推进物联网技术在水质监测领域的深入应用和快速发展,有利于提高我国水质监测的信息化和智能化水平。开展水质实时在线监测能够实现对水体质量的连续观测,及时获取监测区域内的水质情况和总体变化趋势,为预测和防治水体污染及生态破坏等问题提供数据支撑和科学依据。此外,鱼类的行为及生理特征与水环境质量密切相关,通过观测鱼体运动状态评估水质污染等级也是水质监测的重要手段。因此,智能高效的水质监测系统在水环境实时监测及有效治理中发挥着至关重要的作用。自 2008 年以来,作者研究团队一直致力于水质监测方面的研究,取得了多项自主知识产权。


《面向水质领域的物联网监测与控制技术》以科研理论和工程应用结合为特色,对水质监测领域的相关物联网技术进行了深入的研究,并尽可能详尽地给出系统设计的方案和电路原理,以便读者能够深入地了解更多内容。

 

本书设计的水质远程监测系统采用了物联网架构,从功能结构上可以划分为三部分,分别为感知层、网络传输层和应用服务层。


在感知层中,通过各类电化学式使水质传感器对水质信息进行采集。本书所研制的系统采用的水质传感器主要有温度传感器、溶解氧传感器、浊度传感器、pH传感器、电导率传感器、盐度传感器、氨氮传感器和COD传感器等。水质传感器大多是输出为模拟信号的电化学类传感器。其中,部分水质传感器监测到的水质信号比较微弱,如pH传感器、溶解氧传感器及氨氮传感器。因此需要设计调理电路,将微弱电信号进行放大和调理。目前,大多数的水质处理电路可以将微弱电信号转换成万用表可直接测量的电流信号或者电压信号。通过相应的A/D转换模块和相应的水质算法便可以得到感知层的传感数据。

 

在网络传输层中,主要是将感知层的各类水质数据进行近距离或者远距离传输。现阶段的近距离通信技术包括蓝牙技术、红外技术、无线局域网技术、ZigBee技术、射频识别技术和超宽带技术等。远距离通信技术主要包括3G~5G通信网络和卫星遥感技术。卫星遥感技术主要是通过卫星传感器测得目标物体的信息数据,再通过处理系统对所获得的目标信息数据进行分析、判读和识别目标的通信技术。在水质监测领域,近距离通信一般用于水质监测节点之间的组网监测。单节点的水质监测系统一般采用远程传输技术,但是任何一种传输技术都要满足实时性、可靠性以及交互性。此外,近距离传输技术和远距离传输技术并不是孤立的,在有些情形下它们必须配合起来才能完成特定的监测功能。


为了实现水域的全面监测,水质监测节点分布于湖泊或者江河的不同位置,各个节点采集的信息经过处理后采用近距离通信技术将水质信息发送到网关节点,网关节点再采用远距离传输技术,将各个节点的水质信息发送到云平台。在网络传输层,本书设计的水质远程监测系统采用3G网络和4G网络将处理后的数据远程传输到上位机软件及手机APP应用端。

 

在应用服务层中,主要对大量的水质数据进行存储及数据处理。根据用户的需求,设计不同功能的软件系统,为用户提供丰富的特定服务。在应用服务层,本书设计了基于组态的水质远程监测软件平台和基于LabView的水质远程监测软件平台,通过软件平台可实现各类水质数据的实时显示、历史数据查询、超标报警、远程控制、预测预警等功能。

 

本书分为物联网水质监测篇、生物水质监测篇和案例分析篇三个部分。


第一篇概述物联网技术、水质监测领域的物联网架构、物联网水质监测的国内外研究现状等相关内容,介绍基于电化学式传感器的水质远程智能化监测软硬件系统的设计与实现。


第二篇介绍基于鱼体运动状态的生物水质监测技术,包括基于鱼体行为的水质监测理论和基于鱼群体行为的水质预警算法。


第三篇以作者承担的工程项目为例,分析水质监测领域的物联网应用。

 


本书系统地介绍基于物联网水质监测系统的设计原则、方法和步骤,以及鱼体运动的目标检测和跟踪算法,并建立鱼体运动状态生物水质监测和预警模型。此外,还分析了物联网水质监测的典型案例,以便为国内外同行、各类高校和科研院所开展同类研究提供参考。

 

希望这些经验和成果能够对物联网水质监测项目的实施起到借鉴作用,借此与国内外同行及相关企业,并肩努力,积极探索基于物联网的水质监测新技术和新标准,推进物联网技术和水质监测行业的深度融合。

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内容简介


《面向水质领域的物联网监测与控制技术》的主要内容是作者多年来项目成果的总结,以科学研究和工程应用结合为特色。全面介绍水体质量监测领域的物联网技术,并围绕物联网水质监测和生物水质监测技术进行深入探讨,结合实际需求给出相关系统的设计和技术解决方案,最后结合作者多年来的科研经验,对高原寒区湖泊冰期水质及冰厚在线监测仪的研制进行详尽的介绍。 本书可作为电子通信、计算机、仪器仪表、生态环境和农林渔牧等专业学生的参考用书,还可供相关专业的研究生、教学人员、设计人员及工程人员参考阅读。


本书目录



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目录
前言
第一篇 物联网水质监测篇
第1章 绪论 3
1.1 物联网的基本概念 3
1.2 水质监测领域的物联网架构 4
1.3 水质监测现状 6
1.3.1 物联网水质监测现状 6
1.3.2 鱼类水质监测现状 7
第2章 水质远程智能化监测硬件系统 9
2.1 系统整体介绍 9
2.2 相关技术介绍 10
2.2.1 嵌入式系统技术 10
2.2.2 3G 通信技术 11
2.3 水质传感器 12
2.4 系统硬件设计与实现 15
2.4.1 硬件设计思路与方案 15
2.4.2 STM32 系统电路 16
2.4.3 3G 通信模块电路 22
2.4.4 按键与LCD 接口电路 27
2.4.5 SD 卡模块电路 27
2.4.6 温度传感器测量电路 28
2.4.7 pH 传感器测量电路 29
2.4.8 电导率传感器测量电路 29
2.4.9 系统硬件实物展示 30
2.5 嵌入式软件设计与实现 31
2.5.1 μC/OS-II 嵌入式操作系统 31
2.5.2 MC509 模块驱动 34
2.5.3 FatFs 文件系统移植 41
2.5.4 LCD 显示驱动 46
2.5.5 ADC 驱动 47
2.6 温度补偿介绍及实现 48
2.7 系统测试及数据分析 51
2.7.1 系统初始化测试 52
2.7.2 液晶显示及数据采集测试 52
2.7.3 网络通信测试 53
2.7.4 SD 卡数据存储测试 55
2.7.5 系统整体测试 56
2.7.6 数据分析 56
第3章 水质远程智能化监测软件系统 58
3.1 软件的设计与实现目标 58
3.2 软件整体介绍 58
3.3 系统上位机软件设计 59
3.3.1 软件设计思路与方案 59
3.3.2 系统概况 60
3.3.3 参数配置 61
3.3.4 数据接收 64
3.3.5 水质报警 70
3.3.6 数据库存储 70
3.3.7 记录查询 74
3.3.8 报表生成 78
3.3.9 数据预测 81
3.4 串口通信功能测试 84
3.5 网络通信功能测试 88
第4章 水质远程实时监控与预测系统 92
4.1 系统的设计与实现目标 92
4.2 系统整体介绍 92
4.3 相关技术介绍 93
4.3.1 PLC 概述 93
4.3.2 Modbus 通信协议 95
4.3.3 无线通信技术 96
4.3.4 MCGS 组态软件 97
4.3.5 时间序列分析法 97
4.4 系统硬件设计与实现 97
4.4.1 水质传感器及处理电路 97
4.4.2 EM235 模数转换模块 109
4.4.3 PLC 选择及各I/O 口分配 113
4.4.4 水质检测箱设计 115
4.4.5 智能控制模块 116
4.4.6 数据传输模块 119
4.5 下位机软件设计与实现 120
4.5.1 水质采集及相关水质算法 120
4.5.2 水质循环监测功能 123
4.5.3 远程传输功能 126
4.6 上位机触摸屏组态软件设计 131
4.6.1 主控窗口设计 131
4.6.2 设备窗口设计 131
4.6.3 用户窗口设计 134
4.6.4 实时数据库设计 137
4.6.5 运行策略设计 138
4.7 自回归模型水质预测 139
4.8 系统测试及数据分析 144
4.8.1 测试数据精度测试 144
4.8.2 远程通信测试 146
4.8.3 上位机组态软件测试 149
4.8.4 预测模型精度测试 150
第二篇 生物水质监测篇
第5章 鱼体行为的水质监测 155
5.1 生物水质监测法 155
5.2 鱼体运动行为语义模型 156
5.3 鱼体运动目标检测 157
5.3.1 鱼体目标检测模型总体架构 157
5.3.2 鱼体运动图像背景建模 158
5.3.3 鱼体运动图像自适应分割 160
5.3.4 鱼体分割图像滤波处理 162
5.3.5 鱼体运动目标质心检测 167
5.4 鱼体运动状态参数检测 168
5.4.1 运动状态参数检测总体设计 168
5.4.2 鱼体运动目标跟踪 169
5.4.3 运动速度及加速度检测 171
5.4.4 摆尾频率检测 173
5.4.5 转弯频率检测 176
5.4.6 撞壁频率检测 178
5.5 鱼体运动状态水质监测模型建立 180
5.5.1 运动状态参数语义描述 180
5.5.2 水质监测模型的建立 180
5.6 鱼体运动状态参数的水质监测软件 182
5.6.1 软件总体设计 182
5.6.2 视频采集模块设计 183
5.6.3 目标检测面板设计 185
5.6.4 记录查询面板设计 190
5.6.5 水质评价面板设计 193
5.7 系统测试及数据分析 194
5.7.1 实验设计 194
5.7.2 系统测试 196
5.7.3 数据分析 201
第6章 鱼群行为的水质监测 207
6.1 鱼群的生物水质监测及预警 207
6.1.1 鱼群跟踪轨迹获取技术 208
6.1.2 鱼群的生物水质预警 209
6.2 鱼群运动目标检测 209
6.2.1 常用的目标检测方法 209
6.2.2 本章提出的目标检测方法 211
6.2.3 背景模型建立 212
6.2.4 运动目标分割 214
6.2.5 图像滤波处理 216
6.2.6 连通区域分析 217
6.3 鱼群运动目标跟踪 218
6.3.1 常用的目标跟踪算法 219
6.3.2 本章提出的鱼群跟踪算法 221
6.3.3 运动状态估计 221
6.3.4 跟踪遮挡处理 222
6.3.5 代价方程建立 224
6.3.6 目标匹配关联 224
6.3.7 鱼群运动轨迹数据分析 226
6.4 鱼体运动行为特征参数量化 230
6.4.1 个体特征参数 231
6.4.2 群体特征参数 232
6.4.3 鱼体特征参数数据分析 234
6.5 鱼群特征参数的水质监测 239
6.5.1 相关技术介绍 239
6.5.2 本章提出的生物水质预警方法 241
6.5.3 数据预处理 241
6.5.4 核函数选取 243
6.5.5 模型参数优化 243
6.5.6 水质监测数据分析 244
第三篇 案例分析篇
第7章 高原寒区湖泊冰封期水质及冰厚在线监测仪的研制 249
7.1 研制仪器的重要性和必要性 249
7.1.1 仪器拟解决的重要科学和技术问题 250
7.1.2 同类仪器设备的国内外研究现状和发展趋势 250
7.2 仪器的设计思想 255
7.3 仪器的总体结构 256
7.4 仪器的技术性能与主要技术指标 259
7.5 仪器的科学目标和应用目标 260
7.6 仪器的技术路线 261
7.6.1 冰封期冰下水样无扰动采样技术 263
7.6.2 基于电容感应原理的定点冰层厚度检测技术 264
7.6.3 高原寒区水质及冰厚数据统一管理及可视化共享技术 266
参考文献 268



本期编辑丨王芳


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