江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 龍家豪 向 青 錢(qián)同惠

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是科研工作人員進(jìn)行水質(zhì)管理和治理時(shí)的一項(xiàng)基礎(chǔ)與必要工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式效率較低，人工成本較高，并且在復(fù)雜的水域中，監(jiān)測(cè)人員的安全存在隱患。本文著重對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法的研究成果進(jìn)行了分析與歸類，綜合考慮了各種研究方法的主要研究成果和主要特點(diǎn)，并分析其主要存在的問(wèn)題，最后對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

縱觀國(guó)家的工業(yè)發(fā)展歷程，由于對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，我國(guó)在現(xiàn)階段內(nèi)進(jìn)行的是以犧牲社會(huì)環(huán)境為代價(jià)的工業(yè)化進(jìn)程，也正因?yàn)槿绱耍苯訉?dǎo)致生活環(huán)境趨于惡性走向。20世紀(jì)初期，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人就環(huán)境污染完成的社會(huì)問(wèn)題發(fā)表講話，強(qiáng)調(diào)了金山銀山和綠水青山的本位問(wèn)題，而綠水，就指的是水資源。水資源在人的發(fā)展和生存中占據(jù)重要地位。但由于過(guò)多的排污需求，使得水的自凈效率顯得很緩慢，因此人工干預(yù)是必然的趨勢(shì)和要求，我們應(yīng)該有效緩解水污染問(wèn)題，積極響應(yīng)“長(zhǎng)江大保護(hù)”的號(hào)召。

進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，需確保采樣工作規(guī)范、合理。若采樣頻次、方式有問(wèn)題，亦或采樣點(diǎn)位的布設(shè)缺乏合理性，便會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果存在偏差。水樣采集完畢后必須盡快送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種項(xiàng)目的分析，因此應(yīng)保持良好的室內(nèi)環(huán)境，以免對(duì)水樣的分析過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。這整個(gè)過(guò)程中，最貼近的數(shù)據(jù)獲取，離不開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)的操作方式。因此，為了數(shù)據(jù)的有效性，對(duì)操作人員的專業(yè)性和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求就比較嚴(yán)格。此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也需要謹(jǐn)慎。采點(diǎn)取樣不合理，樣品含有雜質(zhì)，試劑的純度等錯(cuò)誤行為都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)分析在部分水流湍急或者極端環(huán)境下，人工水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。研究人員為解決上述水質(zhì)監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題做了許多研究，本文在解讀水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)檢測(cè)未來(lái)發(fā)展的潛力和趨勢(shì)。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

各地區(qū)應(yīng)對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行定期檢測(cè)，檢驗(yàn)方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5750《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》執(zhí)行，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為：pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氰化物、砷、汞、鉻(六價(jià))、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、大腸菌群，以及反映本地區(qū)主要水質(zhì)問(wèn)題的其它項(xiàng)目。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)水質(zhì)方法研究

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究當(dāng)中，應(yīng)用最早的是傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測(cè)，通常我們可以使用物理指標(biāo)監(jiān)測(cè)儀器，比如說(shuō)測(cè)定水濁度的濁度儀，測(cè)定色度所用的濾光光度計(jì)，測(cè)定電導(dǎo)率用的電導(dǎo)率儀等，還有多功能集成型的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可以同時(shí)測(cè)定包括總氮在內(nèi)的多項(xiàng)物理指標(biāo)的效果。目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究主要包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、生物監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)等。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，很多智能監(jiān)測(cè)研究都已經(jīng)得到推廣，并且在特定的水質(zhì)環(huán)境下都有很卓越的監(jiān)測(cè)效果。

在傳統(tǒng)的理化監(jiān)測(cè)當(dāng)中，監(jiān)測(cè)指標(biāo)過(guò)于單一，存在主觀性，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法具有智能化程度高，檢測(cè)周期短、應(yīng)用領(lǐng)域廣，可靠性高等特點(diǎn)。于淑寧等采用外接接口單極接線模式構(gòu)建了一種自來(lái)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這種連接方式傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性極強(qiáng)，缺點(diǎn)是占地空間比較大。次世青等基于Zigbee技術(shù)提出了用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)每個(gè)傳感器模塊獲取水環(huán)境額數(shù)據(jù)，利用Zigbee協(xié)議將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到聚合節(jié)點(diǎn)，并且提出了基于蟻群算法的改進(jìn)型LEACH算法，通過(guò)該算法建立的路由，能夠有效地降低整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在信號(hào)發(fā)送和接受時(shí)的能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗高、續(xù)航短的問(wèn)題，周浩東等設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee和GPRS的節(jié)能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理電路之間增加一個(gè)門(mén)芯片ADG1414或使用低功耗器件來(lái)控制每個(gè)模塊的頻率的分配，減小了系統(tǒng)的耦合性，減少每個(gè)模塊的上電時(shí)間，降低了硬件的能耗。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，并且可以人為設(shè)置閾值，自動(dòng)過(guò)濾到閾值外的數(shù)據(jù)，這不僅減少了系統(tǒng)傳輸?shù)墓ぷ髁浚€增強(qiáng)了系統(tǒng)的續(xù)航能力。Sergio Diaz等設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)包括電源管理、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，并且將太陽(yáng)能采集模塊當(dāng)作可持續(xù)能源。張曉玲設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)考慮到穩(wěn)定性與持久性，采用了低功耗設(shè)計(jì)，能夠?qū)χ付ㄋ蜻M(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了存儲(chǔ)，并且可以對(duì)其進(jìn)行分析。Faustine Anthony等提出了一種用于LVB中水質(zhì)監(jiān)測(cè)的水傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)原型。在開(kāi)發(fā)之前，對(duì)主要環(huán)境進(jìn)行了評(píng)估，包括行動(dòng)地點(diǎn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可用性，該系統(tǒng)由Arduino微控制器、水質(zhì)傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊組成。Sempere Paya Victor M等為城市污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)了一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)圖像和測(cè)量水位的移動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)用于處理水質(zhì)質(zhì)量超標(biāo)和水位超過(guò)閾值的緊急情況的智能平臺(tái)構(gòu)成，以及采用特定協(xié)議和工具設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)充分利用了水循環(huán)，最大限度地減少人為錯(cuò)誤的可能性，并提高測(cè)量的頻率和準(zhǔn)確性。代將來(lái)等人設(shè)計(jì)了一種LoRa無(wú)線通信協(xié)議，同時(shí)運(yùn)用地址過(guò)濾技術(shù)設(shè)計(jì)了一種預(yù)防通信沖突的方案，基于此研究和方案設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理水質(zhì)狀況的系統(tǒng)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的的LoRa射頻模塊從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至后端服務(wù)器，這大大增強(qiáng)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。顏波等提出了一種基于RFID和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、融合節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)，將RFID讀寫(xiě)器連接到電子RFID標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)并且存儲(chǔ)了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和位置信息，從而提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率。

綜上所述，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立連接，可以有效地降低信號(hào)發(fā)送和接受的能耗，并且可以延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)耗能大、穩(wěn)定性差、并且需要大量人力維護(hù)的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法是理化水質(zhì)監(jiān)測(cè)，往往存在效率低、工作量大等弊端，并且難以適用于復(fù)雜的水域環(huán)境。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最大限度地利用現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了從水質(zhì)傳感節(jié)點(diǎn)到水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，解決了現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式所帶來(lái)的弊端，并極大地提髙了工作效率、降低了人工成本。所以利用無(wú)線傳感網(wǎng)咯能夠完整、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和管理，從而建立完善的水資源數(shù)據(jù)管理體系，方便水資源管理人員或科研人員的分析、決策和管理。同時(shí)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可在人工難以取樣的復(fù)雜水域環(huán)境，提高監(jiān)測(cè)的安全性，進(jìn)行高效率的水質(zhì)采樣以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。