【物联网技术在水资源管理中的应用研究6300字（论文）】

摘要：随着经济、社会的发展、人口的不断增长、自然环境的不断改变，水资源问题日益突出。水资源的匮乏已经越来越引起人们的重视。水资源的监测与管理已成为解决水资源污染与短缺问题的基本方法。由于越来越多的国家开始关注水资源的污染问题，越来越多的国家开始关注水资源的污染问题。而物联网技术的兴起，为解决水资源的污染和缺水问题，开辟了一条新的道路。本文介绍了物联网技术的基本组成，并从实际出发，对其在水利领域的具体应用进行了探讨，并对智能水系统的体系结构和关键技术进行了综述。本文的目的是为了进一步提升我国水资源的管理水平，并确保网络技术在水资源管理中的运用。同时，本论文的研究结果对于进一步的研究具有一定的借鉴意义。关键词：物联网；传感器；智慧网络；水资源1引言物联网是一种由多种无线传感器与因特网结合而成的庞大网络，也称“感应网”，其目的在于将所有物体或装置与网络相连，从而达到智能识别与管理的目的[1]。自从第三次工业革命后，因特网作为一种新兴的信息技术已经在人们的生活中发生了翻天覆地的变化。时间与空间的距离已经被极大地削弱了，但是不管网络多么强大，多么丰富的网络，都与我们生活在一个真实的世界有着本质的区别。在互联网的世界里，人们很难感受到真实的生活，因此，随着时间的推移，人们对新的网络技术提出了更高的要求。在这种大环境下，物联网就是一种全新的网络技术。它是一种将传感技术、通信技术和微电子技术相结合的技术。可以说，随着物联网技术的不断发展和应用，人们的生活将发生翻天覆地的变化。物联网必须与各种技术相结合，因此要实现大规模商用，必须要有相应的技术发展与成熟。目前，在生态保护监测、农业高效农作物生长、医疗卫生行业、城市交通、人身财产安全监测等领域中，都采用了物联网技术。2物联网关键技术构成从概念到实践，物联网技术的发展离不开对物联网技术的融合。物联网技术是一个由计算机网络、软件开发、通讯、电子、测控、项目管理等多个领域组成的跨学科。这些技术的融合和融合，使物联网技术可以广泛的应用于各行各业，也为工业的智能化奠定了基础。2.1RFID技术RFID技术是一种无需接触的自动识别技术。从而获得对象的大小、颜色、材质等相关的特征信息。RFID技术能够实现对水、油、化学剂等腐蚀性介质的自动识别，因而适合在大范围、恶劣、黑暗等人类无法接触的地方使用[2]。RFID系统主要包括三大模块：标签、读写器、后台数据处理系统。在RFID系统中，背景信息处理系统能够对目标物体进行识别和感知，从而为RFID系统的正常工作奠定基础。RFID技术相对于其它技术如条形码，具有存储量大，识别精度高，适应环境能力强，操作速度快等特点。RFID技术是通过无线电波在空间上进行非接触式的传输，通过不同的对象进行不同的信息传输，这样就可以自动地进行目标的识别。RFID技术的发展和应用范围的扩大，已由概念向实践转化，RFID技术在物联网技术与工业发展中扮演了重要角色[3]。2.2无线传感网技术无线传感器网络是一种具有多跳特性的自组织网络。它是由许多固定的传感器节点通过无线通讯组织起来的[4]。它集微电子、无线通讯、大规模运算等尖端科技于一体，能够感知、采集、传输和汇总信息，并可实时监控所涉及的区域或周围的情况，为信息处理的智能化提供信息源和信息处理手段。无线传感具有良好的数据安全性、可靠性、动态性和抗干扰能力，已经被广泛地应用于医疗、物流、农业、安全等各个领域。例如，在农业生产中引入无线传感器技术，可以大大提高农业生产的信息化水平和操作效率，从而可以有效地减少生产成本，从而更好地适应生产和生活的需要。同时，随着无线传感器网络技术的普及与应用，将极大地促进物联网的发展，并为其实现多种智能化应用打下了坚实的技术基础。2.3中间件技术中间件技术是一种介于设备与商用之间的技术，是信息感知、数据采集和商业应用的桥梁。它将有关技术进行封装，使得使用者不需要了解复杂的物理和逻辑，从而为应用程序的推广创造了良好的条件。物联网中间件一般都遵循SOA（面向服务体系结构）的原理，通过这种原理，可以将复杂的系统进行分解和简化，从而为物联网的智能化应用提供了极大的便利[6]。在此基础上，提出了一种面向对象、抽象、服务管理、服务融合、应用等五个层次的体系结构。物理对象层是在系统的底层，是由若干功能各异的设备构成的，它们为体系结构打下了坚实的基础；对象抽象层是对物理对象进行抽象的一部分，它为更高层次的业务提供了条件；服务管理是为了实现对物理对象的管理，以保证其在物联网中的地位；业务融合层是将单个业务合并，以达到集成的应用；在应用层的最上层，采用了标准的网络服务协议和业务整合技术，将各种业务和业务结合起来，从而达到智能化的物联网应用。作为一种重要的设备管理与数据管理技术，中间件技术在物联网中的应用与推广具有十分重要的意义。2.4云计算技术云计算是基于互联网的计算技术，它是基于传统计算机技术和互联网技术的发展而产生的。物联网的应用基于真实的数据收集，涉及到环境、状态、属性等诸多因素，其所带来的数据量将成倍增长，而物联网的发展离不开强大的信息技术支持。随着物联网技术的迅速发展，人们相信，随着互联网技术的迅速发展，对海量的数据进行存储、运算等方面的需求也会随之增加。云计算是一种大规模、多用户、可靠性高、可扩展性好的技术，它是实现智能物联网的重要技术。云计算作为一项新兴技术，其产生与计算机技术的发展、市场需求的变化、数据密集型计算技术的发展以及日益丰富的网络功能的发展密切相关。3物联网技术在水资源管理的应用实践江苏省在太湖的治理中，也采用了物联网技术，在太湖海域广泛设置传感器和浮筒，以获取太湖水质的实时动态，并利用无线网络对太湖水质进行实时监控[2]。截至2009年末，在固定、浮标式水质自动监测系统86个。该监测点的建立，不但可以为太湖的污染防治工作提供可靠的数据支持，还可以建立起一个监测预警平台，对监测的实时性、准确性、连续性和完整性起到了很好的推动作用。对太湖水体进行实时监测，掌握各类污染源的排污状况，实现对水文动态的实时监测[3]。为进一步提升水利管理的信息化，江苏省正全力实施一期水利管理信息化项目，将CDMA/GPRS网与互联网技术相结合，实现对环境、水网等环境要素的实时监测、环境应急指挥、水网监测等。实时向数据中心传输各个节点的测量数据、感应水位（水质），实现了信息的收集与联网，并与多学科的网络技术相结合，初步形成了“水资源智能网络”的雏形[4]。3.1水资源智慧网络架构及关键技术智能化水资源网是指利用物联网技术，将水资源的各类传感器（包括计量设备、水质、水位、流量等）用于水资源的开发、利用和保护，并将其与各节点的传感器进行互联，从而达到人与水的融合。以此为依据，对水资源进行更细致、更具动力的管理，从而达到提高水资源利用率、改善人与水的关系、增进人与水的和谐。“水资源智能网”应该包括三个层次，即：感知层（信息采集层）、传输层（信息传输层）、应用层（应用层）；传输层是指各传感节点通过无线网络和因特网向应用平台传递数据；应用层是一个应用程序，它是一个数据存储，处理，分析和应用的平台。为实施以上网络结构，支持以下关键技术：（1）传感技术是当今世界上最重要的三大技术之一。从仿生学的角度来看，如果将通讯系统视为“神经系统”，将电脑视为“大脑”，将其视为“感觉器官”，三者的结合，就会产生出与人类相似的智慧。作为智能水资源网中的一个关键环节，传感器是网络中最主要的节点，而现有的无线传感器只能获取水量、水位和少量的水质数据，但并不能反映出水世界的丰富多彩。为了实现对图像、音频的同时采集，需要建立一个无线的多媒体传感网络。无线传感器网络是一种集大量信息于一体的信息采集与处理技术，其中包含大量的音频、视频、图像等信息。并通过压缩、识别、融合、重构等方式对所收集到的信息进行处理，以适应不同的应用要求。（2）无线传感网路组网技术主要是利用无线传感网路中各结点所采集的资料进行传输，利用WLAN、超宽带、移动通讯等。针对地理位置多为野外环境的特征，采用了以中国电信CDMA网络为基础的有中央控制体系，中国移动GPRS网络为基础。传感器网络是一种大规模的多跳自组织网络，它集传感器、信息处理和网络通讯技术于一身。根据我国水利水电工业的实际应用，传统的组网模式是在特定的应用单元设立分站，与公用网络相连，并配置固定IP地址，无线传感网络节点直接与中央进行联接，这种组网模式的问题是，应用单元要维持节点传感器，同时还要考虑节点与中心的通信稳定性，尤其是当网络节点数量较多、无线网络覆盖不足时，应用单元难以维持整个系统的正常运行。近年来，随着物联网技术的不断发展，电信、移动等运营商纷纷推出M2M服务及相关标准，其核心内容是建立M2M平台及WLAN终端，WM2M节点在M2M平台上注册，并与M2M平台连接，各应用机构按照自身的权限登录M2M平台，实现终端管理、传感器控制、数传服务。采用这种组网方式，不但系统运行稳定、可靠，而且各应用单元只需关注传感器与中央应用系统，可以把更多的精力放在应用服务上。图1显示了M2M的组网体系结构。（3）水资源运营应用系统作为水资源智能网的“大脑”，它汇集了各种业务中的公用或复用的业务处理逻辑，形成统一的、开放的软件资源；应用服务（GIS服务，报表工具，图表工具，以及过程控制）。在此基础上，以实现各个应用系统的统一收发接口。在数据类型、目的地、数据等方面，数据在接收界面中包含分类、数据等。在这项业务中，界面被转化为一个信息中间件，然后由该信息中间件传送和接受。采用了数据交换业务，实现了各省、市、县在不同的应用中，实现了数据的同步传输，并对其进行了详细的数据处理。图1数据传输流程图3.2水资源智慧网络的基本功能当前，国家正大力推动“3网”融合，加速其研究与应用，“智慧水资源网”要充分运用现有技术，实现更全面的感知和测量，更全面的互联和更深刻的智能感知。在这样的大环境下，如何实现水资源的可持续利用，已成为当务之急。3.2.1水环境智能监测功能在水资源保护上，要实现对长江流域和重点水功能区、饮用水源保护区水质、水量等水文指标的实时监控。在水质监测上，应加大对流域环境监测的力度，并对各流域的监测单位进行质量控制，确保监控工作的质量。近几年，随着我国经济的高速发展，企业排放超标、水生态环境日益恶化，一些地区开始积极探索利用物联网技术来强化水资源管理。特别是要建立一个具有重要污染源的河流和河流自动监测体系，建立一个科学、完整的水质监测体系。图2M2M组网架构3.2.2智能计量功能智能水表与其他传感器、无线网络通讯系统结合RS-485通讯标准，可实现用户与用户之间的双向交流，实时、准确地感知用户的用水量，及时发现用户的用水异常，减少了水资源的浪费。3.2.3智能调度功能利用科学、完善的智能水环境监测系统，掌握河川来水的质、量两类基础资料，利用实时监测网络实时采集的数据，根据各个取水点的水资源消耗情况，建立了一个水质自动监控系统，对其进行采集、分析，能够实时了解整个河流的水质状况，对本地区的水资源管理工作具有一定的指导意义。3.2.4智能管理功能在此基础上，提出了一种基于GIS空间分析的方法，并对其进行了研究。对水资源的开发、利用、保护、管理等多种规划进行了仿真和分析，这为动态水资源管理提供了有力的决策基础。地理信息系统与环境模型的有机结合，为环境决策提供技术支撑，已经成为环保政策制定的一个重要方向。4基于物联网技术的水资源智慧管理系统优化建议虽然物联网已经从观念上转移到了实践中，同时，在水资源的治理上也取得了一些成绩，但仍处在很初级的阶段，还没有形成“智能水资源网”，更谈不上是物联网。目前，我国水资源利用中存在着许多亟待解决的问题。4.1建立水资源管理信息标准化体系标准是一切技术的统一准则，如果不能得到一个统一的标准，那么整个行业就会陷入一片混乱。目前，在水资源管理领域，目前，物联网的应用还处在初级阶段，甚至全球尚无统一的规范，缺乏标准化将极大地限制其在水利领域的发展，而与水资源有关的终端（智能计量设备、水位水质传感器）的研制和开发，也是制约水利软件开发的一个重要问题。江苏省已制定相应的水利信息化标准，建设“智能水资源网”是建设“智能水资源网”的前提。从经济、社会发展的需求出发，目前的标准化、规范化管理体制已不能满足市场经济发展的要求，对经济、社会发展也有一定的影响。4.2打破行业、地区、部门之间的壁垒建设“水智能网”需要以开放的心态进行协作，水资源管理涉及到很多部门，目前水利、建设、环保等部门已经在水源、取水、污水排放等方面，各个地区都在建设自己的水利信息化网络。建立以感知技术为基础的水利信息化网络，需要各部门、各地区之间的合作与交流，从而实现信息资源的共享，促进水资源智能网的建设。面对新形势、新要求、新技术的不断发展，政府必须加强信息资源的使用和整合和共享。4.3加快突破与水资源相关的传感器核心技术加快微电子、光电子和纳米技术的技术革新，尽快建设世界上最先进的传感器制造体系。目前，国内许多大学都在研究无线传感技术，清华大学，中国科技大学，浙江大学，上海交通大学等，都在做着基础研究，中兴等公司也纷纷涉足其中。国家自然科学基金、城市水资源与水环境国家重点实验室、哈尔滨工学院，通过分子设计方法，成功地制备出了一种对水体中有机物有较高的选择性和较高的脱除率的分子印迹微球。该研究结果已经在国际著名的电化学和传感技术期刊上发表，标志着我国在超分子量和环境污染方面的研究已经取得了世界领先水平。目前，传统的传感技术正逐步向微型化、智能化、信息化、网络化方向发展，从传统的传感、智能感应器到嵌入式网络传感技术，而如何将其应用到自然水域的感知中，就显得非常有意义。5结语作为一项国家战略性新兴技术，它关系到我国的发展战略与可持续发展。物联网技术已广泛应用于生态环境监测、安全监测、智能交通、物流配送、军事等各个领域，并通过相应的政策来支持和支持水资源信息化网络建设，这也是其在水资源管理上寻求突破的一个重要原因。但是，我们必须认识到，当前我国的水资源管理还