前沿丨面向水质领域的物联网监测与控制技术图片来源：Pixabay水质监测是水

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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，如图1所示。
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图1 物联网体系构架
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。例如，某些大型的湖泊或者江河，其水质监测的网络传输模型如图2所示。
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图2 水质远程监测领域的物联网架构
在图2中，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。