程 洋，馬家林，李萬(wàn)林

（儀征市水利工程總隊(duì)，江蘇 揚(yáng)州 211400）

0 引言

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是保障水資源安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。 隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，水資源所遭受的壓力越來越大，水質(zhì)問題日益突出， 人類健康和生態(tài)環(huán)境面臨著嚴(yán)重威脅［1-2］。因此，如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和評(píng)估水質(zhì)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決水污染問題， 成為水資源管理與可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。然而，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法通常需要人工采樣、樣品制備和實(shí)驗(yàn)室分析，不僅耗時(shí)、費(fèi)力，而且采樣頻率較低、數(shù)據(jù)收集有滯后性，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理一些潛在的安全隱患［3-5］。 另外，離線采集樣品的局限性也導(dǎo)致監(jiān)測(cè)范圍有限， 無法對(duì)大范圍的水體進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。 傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法已無法達(dá)到當(dāng)前社會(huì)對(duì)水環(huán)境監(jiān)控精度的要求。

近年來， 智能傳感器技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)分析行業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 智能傳感器技術(shù)不僅能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，還能保障數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。 隨著微電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、 數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理、遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)共享等功能［6］。這種技術(shù)不僅能夠提高監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性， 還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的群體監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程遙控，為項(xiàng)目研究提供更全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持［7-8］。 本文試結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，探討智能傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景，以期為智能傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 智能傳感器技術(shù)概述

1.1 智能傳感器技術(shù)基本原理

智能傳感器技術(shù)是一種集成感知、 處理和通信功能的智能化技術(shù)，具有實(shí)時(shí)感知和數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化和自適應(yīng)性、數(shù)據(jù)處理和上報(bào)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和遠(yuǎn)程控制、多參數(shù)測(cè)量和集成等特點(diǎn)。 它的核心原理是將傳感器與微處理器結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化和自動(dòng)化。 傳統(tǒng)傳感器主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境信號(hào)（如溫度、濕度和壓力等），然后將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或模擬信號(hào)，直接輸出。而智能傳感器在采集信號(hào)后，可以通過內(nèi)部的微處理器對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取和決策判斷等，還可以通過自學(xué)習(xí)、模型建立和算法調(diào)整等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和識(shí)別。 智能傳感器技術(shù)的基本工作原理如圖1 所示。

圖1 智能傳感器技術(shù)的基本工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic working principle of intelligent sensor technology

1.2 智能傳感器系統(tǒng)組成和種類

一個(gè)典型的智能傳感器系統(tǒng)通常由傳感器模塊、信號(hào)處理單元、存儲(chǔ)單元、通信接口和電源模塊等組成。傳感器模塊用于采集環(huán)境信號(hào)；信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和分析， 并生成可用的數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)，以備后續(xù)的應(yīng)用和分析； 通信接口用于與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信；電源模塊為智能傳感器提供用電。

常見的智能傳感器包括溫度傳感器、 濕度傳感器、光學(xué)傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、流量傳感器等，應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居、環(huán)境、化學(xué)、通信、工業(yè)、醫(yī)療等。 除了基本的物理量傳感器外，還有化學(xué)傳感器、生物傳感器等特殊類型的傳感器，其應(yīng)用領(lǐng)域包括環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、化學(xué)工業(yè)等。

1.3 智能傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

智能傳感器技術(shù)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集， 提供智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，它可以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性，加強(qiáng)對(duì)水體污染的預(yù)警能力，還能對(duì)所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。 其具體優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及共享。智能傳感器內(nèi)部集成了微處理器，可以對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并通過無線或有線的方式與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，能夠?qū)崟r(shí)查看水體中一些關(guān)鍵指標(biāo)的數(shù)值，如pH 值、含氧量、溫度等。 同時(shí)，智能傳感器還可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向多個(gè)平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 與多方進(jìn)行共享和交流， 有助于加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)的聯(lián)合治理。

（2） 大規(guī)模部署。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱WSN）是一項(xiàng)通過無線通信技術(shù)把數(shù)以萬(wàn)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)以自由式進(jìn)行組織與結(jié)合而形成的網(wǎng)絡(luò)形式， 是智能傳感器大規(guī)模部署的關(guān)鍵技術(shù)之一。WSN 利用無線通信技術(shù)將大量的智能傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來， 形成一個(gè)覆蓋范圍廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)同，實(shí)現(xiàn)分布式的監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)，WSN 內(nèi)置的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)允許智能傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無需人工干預(yù)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以通過自組織算法找到最佳的通信路徑和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和管理。該技術(shù)使得智能傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高度靈活性和可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的節(jié)點(diǎn)布置。

（3）數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。智能傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)可以減小傳感器本身的誤差， 從而提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 智能傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)通常包括零位偏移校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、非線性校正等。它還采用濾波技術(shù)、數(shù)據(jù)平滑算法、噪聲濾除算法、線性化補(bǔ)償算法和動(dòng)態(tài)校正算法等信號(hào)優(yōu)化技術(shù)， 減小不利環(huán)境對(duì)信號(hào)輸出的影響。同時(shí)，傳感器內(nèi)置的數(shù)據(jù)融合技術(shù)還可對(duì)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校準(zhǔn)和融合， 從而得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。 所以，應(yīng)用智能傳感器，有助于管理者更好地了解水體的真實(shí)情況、 把握水污染動(dòng)態(tài)，并為水資源管理的相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

（4） 功耗低。 智能傳感器通過采用低功耗的元件， 優(yōu)化電源管理電路和時(shí)鐘系統(tǒng)， 降低了自身功耗；采用低功耗的通信協(xié)議，可在傳感器間實(shí)現(xiàn)可靠的通信，并在必要時(shí)刻自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少功耗。它還采用低功耗智能工作模式，在需要時(shí)可立即響應(yīng)，非需要時(shí)則保持低功耗狀態(tài)。 此外，智能傳感器中的能量收集和管理技術(shù)還可以從環(huán)境中收集太陽(yáng)能、振動(dòng)能、熱能等額外能量以供使用。 它所采用的智能算法也可以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理和決策過程， 從而減少功耗。

（5）高效預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)。智能傳感器通過使用高效的數(shù)據(jù)分析算法和模型， 可以根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則和警戒值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，其內(nèi)部集成的預(yù)警系統(tǒng)可以觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)措施，如發(fā)出警報(bào)聲音、信息通知等。同時(shí)，通過智能算法和模型可以進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)分析、識(shí)別，預(yù)測(cè)潛在的問題，以保障人員安全，減少損失。

2 誤差修正能力分析

2.1 環(huán)境影響分析

水質(zhì)即水體質(zhì)量，是指水體物理、化學(xué)和生物的特性及其組成狀況。 評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)主要包括：溶解氧、pH 值、濁度、營(yíng)養(yǎng)鹽（比如氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽）、重金屬、有機(jī)化合物和微生物等。智能傳感器擁有自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能， 能夠?qū)?fù)雜的水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和學(xué)習(xí)，自動(dòng)調(diào)整監(jiān)測(cè)參數(shù)，提高對(duì)復(fù)雜溶液監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

為研究智能傳感器對(duì)水環(huán)境的誤差修正能力，選用3 臺(tái)普通傳感器和3 臺(tái)智能傳感器分別對(duì)濁度為5 NTU、溶解氧為12 mg／L、pH 值為7.5 同一標(biāo)準(zhǔn)溶液采樣（采樣間隔時(shí)間為1 h），分析2 種傳感器的采樣誤差。 試驗(yàn)時(shí)，先用普通傳感器和智能傳感器分別采集統(tǒng)計(jì)100 組濁度、溶解氧、pH 值數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，再將采集的數(shù)據(jù)分別與溶液標(biāo)準(zhǔn)比較，求得采樣值的相對(duì)誤差，并繪制相應(yīng)誤差波動(dòng)曲線。 其中，2 種傳感器采集濁度數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差如圖2 所示。

圖2 智能傳感器和普通傳感器水體濁度采樣誤差對(duì)比圖Fig.2 Comparison of turbidity sampling error of intelligent sensor and ordinary sensor

由圖2 可知， 普通傳感器的采樣誤差波動(dòng)較大，相對(duì)誤差范圍為-5.5%～5.5%；智能傳感器的采樣誤差波動(dòng)較平穩(wěn)。 這是由于智能傳感器可剔除約91.25%的干擾信號(hào)，使采樣結(jié)果更加接近真實(shí)值。

2.2 水溫影響分析

水體溫度會(huì)影響水中不同雜質(zhì)或離子的濃度（溫度越高，分子動(dòng)能越大），進(jìn)而會(huì)影響水體的吸光程度。 智能傳感器可通過參比電極技術(shù)、內(nèi)置算法、溫度補(bǔ)償模型等方式對(duì)不同溫度水體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了研究智能傳感器對(duì)水體溫度因素的誤差修正能力， 筆者選用3 臺(tái)普通傳感器和3 臺(tái)智能傳感器分別對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同水溫下的溶氧量進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)時(shí)，水溫變化范圍為0～30 ℃，每小時(shí)增加5 ℃，每隔1 min 收集一次數(shù)據(jù)（因0 ℃水為冰水混合物，沒有檢測(cè)意義，實(shí)際操作時(shí)，開始采樣溫度為3～5 ℃），若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，進(jìn)行加測(cè)。 試驗(yàn)共收集數(shù)據(jù)420 組，其中60 組數(shù)據(jù)為加測(cè)數(shù)據(jù)。將每組數(shù)據(jù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，繪制相應(yīng)數(shù)據(jù)曲線，如圖3 所示。

圖3 智能傳感器和普通傳感器在不同水溫條件下水體溶氧量采集對(duì)比圖Fig.3 Comparison of collection of dissolved oxygen by intelligent sensor and ordinary sensor of different water temperature

由圖3 可知，對(duì)于普通傳感器，水溫在0～15 ℃時(shí)，采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值較為接近；水溫在15～30 ℃時(shí)，采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大，最大相對(duì)誤差達(dá)15.1%。智能傳感器的采樣數(shù)據(jù)均與標(biāo)準(zhǔn)值較為接近， 最大相對(duì)誤差僅為0.27%。

2.3 水中油與濁度的影響分析

在水中油濃度為5 mg／L、10 mg／L、15 mg／L、20 mg／L 標(biāo)準(zhǔn)溶液（200 ml）中分別加入200 ml 濁度值為0、10、20、30 的標(biāo)準(zhǔn)溶液， 配置成16 組不同的檢測(cè)溶液， 選用3 臺(tái)普通傳感器和3 臺(tái)智能傳感器分別對(duì)16 種溶液中的水中油進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同濁度溶液中水中油檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of oil in water of different turbidity solutions

由表1 可知，在低濁度影響下，普通傳感器和智能傳感器檢測(cè)的水中油濃度均與標(biāo)準(zhǔn)值接近， 即2種傳感器均對(duì)水中油指標(biāo)有較好的檢測(cè)結(jié)果。 隨著溶液濁度增大，尤其是濁度值為20 和30 時(shí)，普通傳感器檢測(cè)的水中油濃度與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大， 而智能傳感器仍能夠較為精準(zhǔn)地檢測(cè)水中油濃度。

3 智能傳感器技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景

3.1 智能傳感器技術(shù)應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1.1 數(shù)據(jù)格式和信息模型標(biāo)準(zhǔn)化

智能傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)需要在各種應(yīng)用平臺(tái)中進(jìn)行解釋和使用。 由于不同的智能傳感器廠商和應(yīng)用場(chǎng)景可能使用不同的數(shù)據(jù)格式和信息模型， 所以增加了數(shù)據(jù)的解析和集成難度。 為了實(shí)現(xiàn)智能傳感器技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性， 需要制訂統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和信息模型標(biāo)準(zhǔn)， 以便不同智能傳感器和應(yīng)用平臺(tái)之間可以有效地共享和解析數(shù)據(jù)。

3.1.2 安全和隱私保護(hù)

智能傳感器應(yīng)用中涉及大量的敏感數(shù)據(jù)和信息，如群體數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。 數(shù)據(jù)的安全性和隱私問題是智能傳感器技術(shù)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。 為了保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性， 智能傳感器需要采用先進(jìn)的加密技術(shù)和安全協(xié)議。此外，需要確保只有被授權(quán)人員訪問和使用智能傳感器采集的數(shù)據(jù)。 對(duì)于隱私問題，需制訂相應(yīng)的隱私保護(hù)政策和控制措施。

3.1.3 開放平臺(tái)和集成環(huán)境

智能傳感器通常需要與其他設(shè)備、 系統(tǒng)進(jìn)行集成和交互，因此需要具備開放的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括制訂統(tǒng)一的接口協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等。 智能傳感器廠商應(yīng)支持和參與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織和論壇，參與制訂智能傳感器的相關(guān)開放標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 通過與其他廠商和利益相關(guān)方的合作， 共同制訂和推動(dòng)智能傳感器的開放平臺(tái)和集成環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化， 以促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。

3.2 技術(shù)發(fā)展方向

智能傳感器技術(shù)未來的發(fā)展方向主要包括以下幾方面。（1）多參數(shù)集成測(cè)量方向。智能傳感器可將各種水質(zhì)參數(shù)集成到一個(gè)設(shè)備中， 實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)測(cè)量， 可減少智能傳感器數(shù)量和設(shè)備的復(fù)雜度。（2）高精度和高靈敏度測(cè)量方向。未來的智能傳感器可進(jìn)一步提高測(cè)量的精度和靈敏度， 以滿足對(duì)水質(zhì)更加精細(xì)和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)需求。（3）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和云計(jì)算方向。智能傳感器可更廣泛地與網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，促進(jìn)多個(gè)站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享和智能化管理。（4）可持續(xù)能源和綠色設(shè)計(jì)方向。 智能傳感器可繼續(xù)朝著低功耗和可持續(xù)能源的方向發(fā)展，采用太陽(yáng)能、熱能或動(dòng)能等可再生能源進(jìn)行供電，做到生態(tài)節(jié)能和綠色環(huán)保。 （5）大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面。 智能傳感器可進(jìn)行多維多類別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和判別，為水環(huán)境管控提供依據(jù)。智能傳感器技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)其在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用和創(chuàng)新，為水資源管理、水污染監(jiān)測(cè)和水生態(tài)保護(hù)提供更加智能化、高效和可持續(xù)的解決方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 智能傳感器技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。首先，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)采集和監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理和分析功能，提供快速和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋， 大大提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。其次，智能傳感器技術(shù)的應(yīng)用使得水質(zhì)監(jiān)測(cè)更具高效性， 能夠大大減少監(jiān)測(cè)和響應(yīng)時(shí)間，以便有關(guān)部門對(duì)緊急情況進(jìn)行及時(shí)處置，從而保障水體的安全和健康。此外，智能傳感器技術(shù)通過自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和處理， 減少了人工操作和實(shí)驗(yàn)室分析所需的時(shí)間和資源。 這種成本效益的優(yōu)勢(shì)使智能傳感器技術(shù)在大規(guī)模水質(zhì)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面有重要價(jià)值。然而，智能傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中仍面臨一些挑戰(zhàn)。如傳感器的操作標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)安全性、能源管理和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。但通過不斷的研究和創(chuàng)新， 相信智能傳感器技術(shù)將在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用， 為保障水資源安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。