智能水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

陸元成　程高暉

(連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 江蘇 連云港　222006 )

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智能水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

陸元成程高暉

(連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 江蘇 連云港222006 )

【摘要】本文介紹了一種智能水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心。本文的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)距離河流水質(zhì)參數(shù)的變化，能夠克服現(xiàn)有方法的局限性，代替人力監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳感器模塊。其中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)、接口和信息處理以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等，傳感器模塊包括光纖光柵傳感器應(yīng)用和傳感器的接口設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)監(jiān)測(cè)； 智能； 水質(zhì)監(jiān)測(cè)； 光纖光柵

1概述

水是生命之源，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。隨著粗放型經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，我國(guó)的水資源危機(jī)卻日益嚴(yán)重：人均水資源占有量約為2200m3，是世界人均值的1/4，水體污染日益嚴(yán)重，生活和工業(yè)污水正迅速地侵蝕我國(guó)的江河湖泊等水體，湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重,目前1/3左右的湖泊(水庫)出現(xiàn)了不同程度的污染[1]。因此，科學(xué)地開發(fā)、管理和保護(hù)水資源是當(dāng)務(wù)之急，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)是管理和保護(hù)水資源的重要前提和手段。

2現(xiàn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案存在的問題

目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要問題在于無法連續(xù)對(duì)每一段河流以及各個(gè)水庫進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)管，現(xiàn)有的系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集人員不間斷地監(jiān)測(cè)江河湖泊的水質(zhì)情況，可操作性較差。針對(duì)此情況，本文將重點(diǎn)討論開發(fā)可連續(xù)監(jiān)測(cè)地系統(tǒng)，從而可以覆蓋很長(zhǎng)的距離，甚至延伸到偏遠(yuǎn)地區(qū)的水域。傳感器一旦監(jiān)測(cè)到水質(zhì)變化，立即向數(shù)據(jù)中心發(fā)出信號(hào)，數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲知河流的任何參數(shù)變化[2]。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法無法全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，節(jié)約了人力，提高了工作效率，對(duì)于保護(hù)水質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

3整體方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

圖1所示是河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一段河流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況，有三個(gè)傳感器投放點(diǎn)，分別是監(jiān)測(cè)站1、監(jiān)測(cè)站2和監(jiān)測(cè)站3以及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的主要硬件包括：用于系統(tǒng)控制的微型處理器或者上位機(jī)、光纖光柵技術(shù)的各類傳感器、信息網(wǎng)絡(luò)等。

傳感器監(jiān)測(cè)站可以投放在任何需要監(jiān)測(cè)水質(zhì)的地點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需求可以投放不同功能的傳感器，這樣就可以用來檢測(cè)所需的參數(shù)[3]。本系統(tǒng)采取先進(jìn)的光纖光柵技術(shù)傳感器，可以完成溫度、流速、液位等的監(jiān)測(cè)，光纖光柵傳感器可以抗電磁干擾，電絕緣性好，耐腐蝕，體積小，傳輸損耗小，容量大，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。

傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，再將分析的結(jié)果以圖像或數(shù)表反映出來。如果有任何危險(xiǎn)情況發(fā)生，數(shù)據(jù)中心當(dāng)即發(fā)出GSM控制信號(hào)或者向上級(jí)匯報(bào)，及時(shí)處理，保護(hù)河水和水庫水資源的安全。在所構(gòu)建的模型中，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)被連接到一個(gè)不同的電子傳感器，以檢測(cè)不同的參數(shù)，如：pH值、油污泄漏檢測(cè)，水位和水流的變化，監(jiān)測(cè)站使用該系統(tǒng)可以檢測(cè)到被測(cè)位置處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前光纖光柵技術(shù)傳感器可以測(cè)量的參數(shù)包括：油污、水的pH值、水位和水流量等，隨著光纖光柵技術(shù)傳感器的不斷發(fā)展，越來越多的水質(zhì)數(shù)據(jù)可以測(cè)量出來。

3.2信息處理系統(tǒng)

在對(duì)圖形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理時(shí)，該系統(tǒng)將檢測(cè)到任何監(jiān)測(cè)站的光纖光柵位置變化。如果發(fā)生變化，系統(tǒng)將會(huì)立刻處理，并且發(fā)出警報(bào)信號(hào)，在此過程中，該系統(tǒng)不會(huì)停止監(jiān)測(cè)，而是連續(xù)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)變化情況[4]。以下詳細(xì)說明pH值檢測(cè)功能。當(dāng)pH值變化時(shí)，光纖光柵傳感器的電壓信號(hào)將被轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后將光纖光柵傳感器的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蟛ㄩL(zhǎng)。光纖光柵傳感器發(fā)出的光信號(hào)的中心波長(zhǎng)用波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量，然后將測(cè)量出的波長(zhǎng)信息傳輸給計(jì)算機(jī)，等待計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理信息。通過數(shù)據(jù)處理后將監(jiān)測(cè)位置的具體數(shù)據(jù)顯示在安捷倫VEE儀器上，然后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)，并且將數(shù)據(jù)向上級(jí)反映，以便采取進(jìn)一步行動(dòng)。整個(gè)過程如圖2所示。

光纖光柵傳感器的接口是：電子傳感器通過電子接口、光纖光柵接口與光纖光柵傳感器相連,如圖3所示。任何電子傳感器都可通過接口連接到監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)的光纖光柵器夾持器上，也可以耦合到任何監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的光纖線上。按照系統(tǒng)的工作情況，當(dāng)傳感參數(shù)變化時(shí)，電子傳感器就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓。例如：如果水流速度值傳感器檢測(cè)到水的流速值為A時(shí)，則這個(gè)傳感器就會(huì)給出A值對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。該輸出電壓將觸發(fā)光纖光柵的夾持器，光纖光柵的夾持器會(huì)引起一定量的壓力，從而導(dǎo)致光纖光柵的中心波長(zhǎng)偏移，監(jiān)測(cè)站波長(zhǎng)計(jì)將檢測(cè)到這種變化的信息。

該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置非常簡(jiǎn)單，旨在測(cè)量水質(zhì)參數(shù)。光纖光柵傳感器可以在各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)連接光纖電纜。電子傳感器輸出電壓控制光纖光柵傳感器，通過光纖光柵的夾持器傳遞給光纖光柵傳感器，從而使光纖光柵傳感器發(fā)生相應(yīng)的變化，光纖光柵傳感器輸出產(chǎn)生一定的壓力。波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，并且可以在光纖中顯示任何波長(zhǎng)的變化。測(cè)量出來的數(shù)據(jù)可以顯示在安捷倫VEE上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)pH值、油污、水位和流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4結(jié)果與討論

本文通過對(duì)油污進(jìn)行監(jiān)測(cè)，論證方案的可行性。系統(tǒng)中采用的油污探測(cè)器是傳統(tǒng)探針油污探測(cè)器，首先將該傳感器的2探針放入水中，通電后，電流流過水體，通過觀察液體電阻值的變化，監(jiān)測(cè)油污。如果被測(cè)液體中只有水，那么該液體的導(dǎo)電性會(huì)很強(qiáng)，電阻會(huì)很小，而如果該實(shí)驗(yàn)是水和油的混合物，則該液體的導(dǎo)電性會(huì)變差，電阻會(huì)增大，這是根據(jù)油污對(duì)水的電導(dǎo)率影響規(guī)律開發(fā)出來的。模擬電壓以單片機(jī)為輸入電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。伺服電機(jī)耦合到光纖光柵夾持器，從而控制壓力變化。不同的液體會(huì)產(chǎn)生不同的電壓信號(hào)，不同的電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓力，不同程度的壓力產(chǎn)生的波長(zhǎng)通過波長(zhǎng)計(jì)可以測(cè)量出來。

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)液體中只有水時(shí)，平均輸出電壓為2.08V，平均轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)為1553.614nm，而當(dāng)液體中含有水和油時(shí)，平均輸出電壓為0.75V，平均轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)為1554.022nm。測(cè)量時(shí)使用+5.90V直流電源帶動(dòng)伺服電機(jī)，采用的光柵中心波長(zhǎng)為1553.614 nm。通過波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)波長(zhǎng)的變化，然后顯示在安捷倫的儀器上。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：如果油泄漏到河流中，通過波長(zhǎng)檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

5結(jié)語

本文利用光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油污、流速和水質(zhì)pH值檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)電子傳感器和標(biāo)準(zhǔn)的光纖網(wǎng)絡(luò)以及光纖光柵技術(shù)的傳感器。該項(xiàng)目可以進(jìn)一步開發(fā)和配備更多的傳感器和處理、執(zhí)行系統(tǒng)，可以進(jìn)行拓展，監(jiān)測(cè)更多的水質(zhì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張力.黑龍江省飲用水水源地環(huán)境管理狀況分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2011(7).

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[3]羅遠(yuǎn)程. 污水處理廠溶解氧在線監(jiān)測(cè)與便攜式測(cè)試數(shù)據(jù)的比對(duì)研究[J].水工業(yè)市場(chǎng),2012(1).

[4]丁志群,張玉鈞,李宏斌,等.激光誘導(dǎo)熒光水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].光學(xué)儀器,2009(4).

Intelligent water quality continuous monitoring sensor network system

LIU Yuancheng, CHENG Gaohui

(LianyungangWaterResourcesPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd.,Lianyungang222006,China)

Abstract：In the paper, an intelligent water quality continuous monitoring system is introduced. Various parameters of water quality can be monitored in real time through advanced monitoring sensor. Data is uploaded to data center through network. Construction of one system is regarded as objective in the paper, changes of long-distance river water quality parameters can be monitored continuously. Limitations of existing methods can be overcome for replacing labor monitoring. The system has the following main contents: system design and sensor module, wherein system design includes system function analysis, system function module design, interface and information processing, network design, etc. Sensor module includes fiber grating sensor application and sensor interface design.

Key words：continuous monitoring; intelligence; water quality monitoring; fiber grating

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.022

中圖分類號(hào)：TV52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005- 4774(2016)02- 0079- 03