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本文阐述了基于云平台的在线水质监测系统设计与实现，研究主要集中在监测浮台设计和云平台的数据模板搭建与终端到云平台之间信息传输的实施。利用现有的云平台搭建了个性化需求的水质监测系统，使用串口模拟与串口调试软件来模拟云平台与水质监测终端之间的数据传输，并以数据可收、分析和管理的软件平台，能够实现水质监测数据的自动记录、自动数据上传、自动预警功能，同时满足数据的集成共享和数据对接功能，以达到构建城镇内河（湖）水环境质量监测大数据平台的目的，可为生态文明建设、生态环境保护、生态环境质量考核等提供技术支撑。具体的技术路线如图1所示。
在线水质监测系统设计与实现
三亚学院 崔瑞秋 梅 翔
三亚学院翟明国院士工作站 三亚学院 辛光红 杨 波
图1 研究的技术路线
视化的方式直观展示水体数据。针对水质监测方面需求的云平台系统，通过现场检测和实时在线监测相结合，配合信息化系统和应用终端，帮助环保系统集成商或有关部门及时、准确地掌握水质信息，为预警预报重大流域性水质污染事故，监管污染物排放，以及监督总量控制制度落实等提供帮助。
随着经济的不断发展，水环境污染，水质日益恶化的问题日益明显。未经处理的工业废水与生活污水排入水环境，不仅会危害人体健康，更会破坏水体的生态平衡，造成严重的环境问题。此外，水体情况与水体中的污染物成分越来越复杂，对于检测的需求也更加多样化。在物联网技术趋近成熟的当下，开发适合国内水质监测特点的在线监测系统势在必行。
在线水质监测系统中，各类水质监测设备通过有线或无线的通信方式将监测数据实时发送到水质监测中心的监控平台上。随着新监测区域和站点的不断出现，观测的数据量也会越来越多，对监测中心服务器的存储和计算能力有着较高的要求。同时要求监测中心的平台具有良好的可扩展性和性价比，这些特征要求监测系统必须与云计算技术相结合。
1 研究的技术路线
本研究在总结现在水质在线监测设备的基础上，优选跟城镇内河（湖）水质相关的监测指标，并根据选择的指标进行水质在线监测设备的研制，能够实现监测
数据的实时无线传输功能，并开发数据接
图2 浮台主体结构
1浮桶；2水质传感器；3喉箍提手架；4喉箍；5吊环丝杆；6内桶；7泡沫内芯；8防水半球；9信号灯；10太阳能半球；11内桶盖；12搭边锁扣；13铝合金紧扣环；14外桶硅胶垫；15尼龙紧固环；16拉环；17内桶硅胶垫。
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三亚学院
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2 浮台主体设计
浮台主体结构主要包括水质在线监测传感器、内筒、外筒、泡沫内芯、防水半球罩、信号灯、太阳能电池板、蓄电池等部分构成。浮筒外筒用于保护水质传感器，且外筒下部开有透水窗，保证被监测水体在传感器周边的正常流通，确保水质的原位监测需求。浮筒内筒为防水结构，内装有泡沫内芯，起到调节整个浮筒重心和浮力的作用，保证整个浮标体在水面的的正立姿态及调节传感器监测水深的作用，同时，
泡沫内芯开有电池安置空腔，用于供电系统中储能电池的放置。太阳能电池板和蓄电池为整个装置的供能单元，信号灯为装置设备运行各状态的指示灯和警示灯。防水半球罩用于保护太阳能电池板及内部电子元器件，使其免受风浪及外落杂物的干扰。浮台主体结构如图2所示。
3 在线监测系统设计
该系统硬件由供电系统、数据采集处理两大部分构成。供电系统由蓄电池组和太阳能光伏充电部分组成。太阳能产生的电能一部分驱动负载、一部分为蓄电池组充电。数据处理部分由控制器、通信模块、数据采集模块组成。太阳能ui 采用产品化的太阳能供电控制系统，设计功率12V20W ，容量连续工作7天，满足海南连续阴雨天气状况设计。3.1 在线监测水质传感器
传感器是在线监测装置的核心组成部分之一，在线水质传感器应符合国家标准方法或行业标准方法，鉴于在线监测设备长期运行和后期的运营维护考虑，所采有的传感器应该尽可能的使用同一品牌的国内外知名产品，同时应该具有低功耗、可靠性强、测量精度高、运行成本低等特点，可以长时间的稳定运行。本研究采用统一集成了常规五参数（水温、PH 、溶解氧、电导率、浊度）及氨氮、化学需氧量（COD ）等7个指标。3.2 在线监测控制系统
本系统控制模块主要功能是控制传感器进行数据采集和数据传输。本系统设计采用MicroPython 开源固件。MicroPython 是一个紧凑的电子电路板，提供一个低级的Python 操作系统，可以用来控制
各种电子项目。MicroPython 包含了很多高级特性，比如交互
式提示、任意精度整数、闭包、列表理解、生成器、异常处理等等。但它足够紧凑，只需256k 的代码空间和16k 的RAM 就可以安装和运行。本系统采用的MicroPython 编程主要优势在于操作简单，不需要仿真调试，输入代码可以立刻看到结果。3.3 数据采集模块
数据采集模块采用了标准RS-485和Modbus 通信协议实现传感器的可靠数据传输，兼容市场上大多数的水质数字传感器，可扩展性强。RS-485通信使用差分信号传输，有效的抑制了共模干扰，排除了设备安装过程中线缆、空间布局的差异等因素对传输数据的影响。数据传输采用了CRC 冗余校验，保证数据的可靠性。3.4 数据传输模块
当前常见的无线通信技术有Bluetooth 、UWB 、GPRS 、GSM 、Infrared(IR)CDMA 、ZigBee 、Wi-Fi 和等RFID ，还有窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)通信。由于水质信息不会短时间内发生跃变，本课题充分利用NB-IoT 的低功耗性能降低建设成本，由于系统的数据流向不需要过多的双向通信，只需要云平台单一的接收数据，因此在一定程度上减低了通信费用。数据传输模块是通过NB-IoT 技术无线传输，控制器将传感器采集到的水质数据传输到云平台进行数据储存和管理，同时接受管理平台发送的控制指令控制检测装置。通信传输网络拓扑如图3所示。
4 云平台部署
基于云平台的水质监测系统主要由三部分构成：水下观测层，云服务平台和应用层。其中水下观测层由观测站，水下网络及在线水质检测设备等物理仪器组成，负责收集，监控水质的各方面所需的数据，并第一时间无线通信的方式上传到云服务器平台的数据库。云平台可以为用户储存数据与计算数据，进行远程监控，将数据反馈到应用层。应用层主要基于B/S
结构，即用户只需要安装浏览器，便可以使用云
图3 通信传输网络拓扑
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平台为用户提供的一切服务，包括实现数据可视化，历史数据可视化，用户权限注册以保证数据安全性，提供用户访问平台的数据接口。以实现用户在手机或电脑上就能远程管理所有监测点，获取各个发送的监测数据，包括基本信息、实时数据、历史数据、统计数据、分析数据、报表、图表等。同时将以图的方式展示监测点的分布位置，可快速掌握辖区内被监管点的监测数据与预警情况。
用户需要自行编写数据模板，填写名称，数据类型，寄存器地址等等参数。设备上传的数据，采用Modbus RTU格式上传至云平台，本文中采用XCOM与USR-VCOM软件进行模拟推送以测试推送数据与数据管理、数据可视化的效果。经过设置后，云平台能够以地图和列表的两种方式来管理水质监测终端设备收集到的信息。其中GPS地图可以直观地看到终端设备在地理位置上的分布，运作情况。而列表则可以以终端为单位，浏览每一个终端在不同时段收集到的全部数据，也能够以数据模板为单位，总览某项数据在不同终端上的全部监测结果，以此达到综合分析水体状况的目的，满足多样化的数据分析需求。
在云平台收集到水体数据之后，能够以可视化图像的直观形式来展示水体数据，包括设备数，报警数等等。同时可以将数据表格转化为折线图等数字图像，直观反映水质监测终端的水体温度，酸碱PH值，微量元素在一日或更长时间周期内的变化。
5 云监测运行及测试
云监测可以提供有人通讯设备的全面监控，包括设备在线数，设备型号分布，及固件分布，设备实时报警信息等，提供全方位的设备状态监控和数据可视化展示。云平台及设备实测如图4所示。
总结：本项目的研究实施得到了国家级大学生创新创业项目及海南中南标质量科学研究院的资金和技术支持。截止目前为止，本研究已研发成功水质在线监测装置样机，该样机体积小巧，成本低，功耗小，能实现24h高频次的连续实时采集及传输监测数据，长时间连续运行稳定，上线的水质在线监测数据管理系统能够实现预设的各项功能，主要包括数据收集、数据计算、数据存储、预警和报警、数据显示与查询、数据汇总统计及推送、数据权限控制、管理权限控制、多设备查询与管理和地图定位和防盗等，初步满足了预期设计要去。具备了在一定区域内全面设点、联网、自动记录、自动数据上传、自动预警的在线监测装置的要求，具备了搭建城镇内河（湖）水环境质量监测数据管理平台的基础，能完成特定监测指标的预警功能。本设计水质检测装置及数据管理系统，除了应用于城镇内河（湖）、水库等水体的水质在线检测和预警以外，在其他水体的水质和水文变化趋势，黑臭水体治理、蓝藻爆发预测，河流生态的水文机制，湖泊、湿地生态状况和功能生态修复及评价，水利工程对生态系统（水质、物质循环、泥沙淤积和生物多样性等）的影响，水文水质对水产养殖的影响以及突发性污染事件检测和预警等诸多方面，都将具有广阔的应用前景。
基金项目：国家级大学生创新创业训练项目（编号：201913892028）。
作者简介：崔瑞秋（1999－），女，内蒙古通辽人，本科，现
就读三亚学院，研究方向：机械设计。图4 运行实测图
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