楊小令，吳宸暉，韓 峰，孫 通，劉金濤，戚高晟，劉志雄

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊小令1，吳宸暉1，韓 峰1，孫 通1，劉金濤1，戚高晟2，劉志雄2

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對(duì)我國(guó)城鄉(xiāng)各級(jí)飲用水源現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同理化傳感器和生物毒性傳感器的兼容，除能監(jiān)測(cè)常規(guī)的水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率和濁度這五個(gè)參數(shù)外，增加了紫外吸收、斑馬魚生物毒性和大型蚤生物毒性三種傳感器.采集到的數(shù)據(jù)在云計(jì)算平臺(tái)可對(duì)8種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、融合，并建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)庫(kù)和分析預(yù)測(cè)模型，用戶經(jīng)授權(quán)可通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能有效地對(duì)水源水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警.

物聯(lián)網(wǎng)；水源水質(zhì)；監(jiān)測(cè)

目前，飲用水源作為人類的基本需求[5]，其水質(zhì)狀況受到各種生產(chǎn)、生活污染的威脅，特大污染事故頻頻發(fā)生[5].而我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)由多個(gè)職能部門管轄，一旦突發(fā)水污染事件，將會(huì)牽涉到水利、環(huán)保、交通、供水、城市建設(shè)和規(guī)劃等多家部門，不同層級(jí)的政府和部門難以在第一時(shí)間做出一致的反應(yīng).國(guó)家雖頒布了水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，投入了大量資金，建設(shè)了成千上萬(wàn)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站[5]，但是監(jiān)測(cè)效果依然很不滿意.究其原因，主要有3個(gè)方面：(1)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目太少，絕大多數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站只能自動(dòng)監(jiān)測(cè)水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度5種水質(zhì)參數(shù)，可以及時(shí)反映無(wú)機(jī)污染物，但對(duì)面廣量大的有機(jī)污染物卻無(wú)能為力；(2)監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格高，都在十幾萬(wàn)到上百萬(wàn)之間，很難普及到縣級(jí)、鄉(xiāng)級(jí)水源監(jiān)測(cè)應(yīng)用；(3)技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，每個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，每年需要5萬(wàn)元以上，基層用不起.因此，研究經(jīng)濟(jì)適用的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器是關(guān)系廣大人民群眾生命安全的一件大事，是一項(xiàng)急迫任務(wù).

1 功能需求分析

飲用水源地水質(zhì)的監(jiān)測(cè)一般分為理化監(jiān)測(cè)和生物毒性監(jiān)測(cè)兩種方法.理化監(jiān)測(cè)客觀性強(qiáng)，重復(fù)性好，但是監(jiān)測(cè)指標(biāo)少，漏報(bào)率高；生物毒性監(jiān)測(cè)廣譜性好，綜合性強(qiáng)，可以反映各種毒物的單獨(dú)作用和聯(lián)合作用，但是易受干擾，誤報(bào)率高.所以，應(yīng)將理化監(jiān)測(cè)和生物毒性監(jiān)測(cè)聯(lián)合使用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能更及時(shí)、更準(zhǔn)確地反映水源水質(zhì).

本文在針對(duì)我國(guó)城鄉(xiāng)各級(jí)飲用水源的監(jiān)測(cè)需求分析后認(rèn)為其應(yīng)具備以下基本功能.

(1)監(jiān)測(cè)對(duì)象：需對(duì)飲用水源的水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度、紫外吸收、斑馬魚生物毒性、大型蚤生物毒性8種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

(2)監(jiān)測(cè)時(shí)效性：浮標(biāo)采用間斷工作，工作時(shí)間∶休眠時(shí)間為1∶11，在正常供電的情況下每隔30 min采集1次8種水質(zhì)參數(shù)，一次充滿可在連續(xù)陰雨的情況下連續(xù)工作8 d.

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理：8種水質(zhì)數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS無(wú)線通訊模塊發(fā)送到服務(wù)器，在云計(jì)算平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、融合，并建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)庫(kù)和分析預(yù)測(cè)模型，一旦參數(shù)超標(biāo)能及時(shí)預(yù)警，并能在手機(jī)客戶端顯示水質(zhì)變化曲線圖，比對(duì)每天的水質(zhì)參數(shù)波動(dòng)情況，能直觀地分析所測(cè)水源的水質(zhì)情況.

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于上述功能需求分析，研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，與自主研發(fā)設(shè)計(jì)的基于多波長(zhǎng)的濁度和紫外吸收集成傳感器、斑馬魚、大型蚤生物毒性傳感器等8種水質(zhì)傳感器進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)一個(gè)水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)設(shè)備為浮標(biāo)，并可通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水源水質(zhì)，對(duì)超出指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警[4-6].

2.1 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[7](見(jiàn)圖1).

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 太陽(yáng)能供電模塊

該模塊由單晶硅太陽(yáng)能電池板、免維護(hù)鉛酸電池和智能控制器組成(見(jiàn)圖2).除具有過(guò)充、過(guò)放、電子短路、過(guò)載保護(hù)、防反接保護(hù)功能外，自主研發(fā)了低壓提升電路，擴(kuò)大了太陽(yáng)能電池向鉛酸電池充電的時(shí)段.鉛酸電池一次充滿可在連續(xù)陰雨的情況下連續(xù)工作8 d.如果連續(xù)陰雨>8 d，單片機(jī)管理的智能供電技術(shù)可以增加監(jiān)測(cè)周期，最大限度地保證每天監(jiān)測(cè)得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)數(shù)量.

圖2 太陽(yáng)能供電模塊

2.2.2 水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

在8種水質(zhì)傳感器中，水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率4種傳感器因國(guó)產(chǎn)品牌傳感器質(zhì)量好、價(jià)格低，無(wú)需自己研發(fā)，直接選用上海儀電科學(xué)儀器股份公司的雷磁牌產(chǎn)品，型號(hào)分別為溶解氧電極DO-975(含水溫電極)、pH電極E-201-C、電導(dǎo)電極DJS-1C.

濁度傳感器和紫外吸收傳感器都是光學(xué)傳感器，二者原理(見(jiàn)圖3)與結(jié)構(gòu)相似度高，測(cè)量紫外吸收時(shí)必須扣除濁度的影響，因此可將二者集成為一體.測(cè)量時(shí)，依次打開(kāi)635 nm紅光光源、520 nm綠光光源、470 nm藍(lán)光光源、254 nm紫外光源，根據(jù)4種波長(zhǎng)的透射光與90°散射光的光強(qiáng)，可求出濁度和紫外吸光度.

圖3 濁度與紫外吸收集成傳感器原理圖

斑馬魚生物毒性傳感器是根據(jù)斑馬魚的生性設(shè)計(jì)的游泳行為監(jiān)測(cè)裝置(見(jiàn)圖4).該裝置上部設(shè)有白光照明燈模擬自然光，前側(cè)面中部的紅外LED發(fā)光二極管和后側(cè)面中部的紅外光敏二極管形成一道水平方向的線陣光柵欄.當(dāng)斑馬魚垂直游泳時(shí)，會(huì)穿越線陣光柵欄，遮擋紅外光束，光敏二極管阻值升高，輸出高電平，產(chǎn)生一個(gè)脈沖.單片機(jī)收集1 min脈沖數(shù)，經(jīng)存儲(chǔ)、編碼，發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器.當(dāng)斑馬魚中毒癥狀加重時(shí)，垂直游泳穿越光柵欄次數(shù)明顯減少.

圖4 遮光計(jì)數(shù)法原理圖

大型蚤生物毒性傳感器是根據(jù)大型蚤生物的趨光性設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置(見(jiàn)圖5).上、下部?jī)蓚?cè)設(shè)置了一排LED白光照明燈，前后兩側(cè)面中部安裝了紅外LED發(fā)光二極管和紅外光敏二極管形成交錯(cuò)的兩道水平方向的線陣光柵欄.監(jiān)測(cè)時(shí)，先打開(kāi)下部白光照明燈，引誘大型蚤趨光向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)段單片機(jī)不計(jì)數(shù)；然后再打開(kāi)上部白光照明燈，引誘大型蚤趨光向上運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間單片機(jī)計(jì)數(shù).當(dāng)大型蚤中毒癥狀加重時(shí)，趨光穿越光柵欄次數(shù)明顯減少，可以用趨光性被抑制50%表示顯著中毒.

2.2.3 安卓手機(jī)客戶端與服務(wù)器交互

服務(wù)器側(cè)架設(shè)了一套以HTTP請(qǐng)求為主要方式的API接口，滿足GET和POST兩種方式的請(qǐng)求，返回的數(shù)據(jù)格式是JSON.整套API采用MVC架構(gòu)，業(yè)務(wù)層處理業(yè)務(wù)邏輯，用戶層返回規(guī)格數(shù)據(jù)，控制層調(diào)度各請(qǐng)求.同時(shí)為保證數(shù)據(jù)安全性，會(huì)對(duì)各接口的請(qǐng)求參數(shù)通過(guò)MD5參數(shù)簽名方式進(jìn)行傳遞，保證請(qǐng)求參數(shù)的正確性、完整性及時(shí)效性.數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，并對(duì)整個(gè)DAO層進(jìn)行了封裝，滿足對(duì)各查詢語(yǔ)句的增、刪、改、查的需求(見(jiàn)圖6)，實(shí)現(xiàn)表到對(duì)象實(shí)體的映射.主要實(shí)現(xiàn)的接口有：(1)登錄驗(yàn)證；(2)分頁(yè)取數(shù)據(jù)(水源地址、8種水質(zhì)參數(shù)名)列表；(3)獲取各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)詳情；(4)獲取各參數(shù)7 d內(nèi)的歷史參數(shù)以折線圖形式呈現(xiàn)反映參數(shù)波動(dòng)情況.

圖5 大型蚤趨光性監(jiān)測(cè)裝置

圖6 APP界面

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在STM32單片機(jī)的控制下，浮標(biāo)每隔30 min采集1次水溫、溶解氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度、紫外吸收、斑馬魚生物毒性、大型蚤生物毒性8種傳感器的水質(zhì)數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS無(wú)線通訊模塊發(fā)送到服務(wù)器，在云計(jì)算平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、融合，并建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)庫(kù)和分析預(yù)測(cè)模型.若分析得出指標(biāo)超出正常范圍，系統(tǒng)能及時(shí)做出預(yù)警.用戶經(jīng)授權(quán)也可通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能通過(guò)水質(zhì)變化曲線圖比對(duì)每天的水質(zhì)參數(shù)波動(dòng)情況，直觀地分析所測(cè)水源的水質(zhì)情況.太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)由儀器艙①、生物毒性傳感器艙②、理化傳感器艙③、防護(hù)罩④組成(見(jiàn)圖7).

為了保證生物毒性傳感器模塊在嚴(yán)寒和酷暑正常運(yùn)行，可以增加大型太陽(yáng)能浮箱.大型太陽(yáng)能浮箱安裝了300 W的大功率太陽(yáng)能供電模塊，向半導(dǎo)體加熱制冷模塊供電，使斑馬魚、大型蚤試驗(yàn)水槽處于20～30 ℃的水溫[5]，實(shí)物設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖8).

圖7 太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)

圖8 太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)試用

太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)已在江蘇省揚(yáng)州市儀征月塘水庫(kù)投入試用，運(yùn)行狀況良好.同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，有效保障了飲用水源水質(zhì)的長(zhǎng)期潔凈.

3 結(jié) 語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、GPRS、理化傳感器、生物毒性傳感器等為技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出的我國(guó)城鄉(xiāng)各級(jí)飲用水源監(jiān)測(cè)需求的水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有效擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)范圍，將分散的監(jiān)測(cè)站組合成網(wǎng)絡(luò)，能更及時(shí)、更靈敏地發(fā)現(xiàn)水污染并進(jìn)行預(yù)警，大幅度降低了漏報(bào)率和誤報(bào)率；并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，在服務(wù)器將8種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、分析和融合，更易建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)庫(kù)和分析預(yù)測(cè)模型.因此，該項(xiàng)技術(shù)能在水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，有效保障數(shù)億公眾飲水安全.

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WaterQualityMonitoringTechnologyBasedonInternetofThings

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)

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.

Internet of Things; water quality; monitoring

2017-07-11

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ25B00)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY17D030001)

楊小令(1960-)，男，山東招遠(yuǎn)人，講師，研究方向?yàn)樗|(zhì)監(jiān)測(cè)、水下機(jī)器人.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.008

TV213

A

1008-536X(2017)05-0032-04