成都市徐堰河柏條河水質監測系統的設計

何鑫　張振宇　李華麗　周兵奇

摘要：徐堰河柏條河作為成都市兩條重要的河流，對成都市的供水起到了至關重要的作用，因此徐堰河柏條河的水質情況對成都市的用水安全有著重要的影響。傳統的水質監測是通過人工提取水樣，將水樣帶回實驗室進行水質分析，該方法無法實現對徐堰河、柏條河水質的實時監測，易造成水質監測情況的延遲。一旦徐柏二河發生污染，這種監測方式不能夠及時反映水質污染情況，導致污染進一步擴大。通過采用在線水質監測系統，可以及時了解污染情況，能夠馬上采取措施，使污染處在一個可控的范圍之內。

關鍵詞：成都市；水質監測系統；自動化；傳感器

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0075-02

1 背景分析

成都市地處川西水網區腹部，本地水資源總量為93.26億m³，過境水源量為183.76億m³。雖然成都市本地水資源與過境水資源構成的水資源總量較為豐富，但成都市人均占有量卻不足3000m³，僅為世界人均占有量的30%。由此可見，成都市水資源并不充裕，并且已經被列為全國缺水城市之一。隨著國家西部大開發戰略的提出，城市化進程的逐步推進，成都這個位于中國西部中心的古老城市正再次煥發出別樣的風采。穩步發展的經濟、便利的交通以及天府之國宜人的氣候正吸引越來越多的人來到成都并在此定居生活。日益嚴峻的人口壓力將使本就不豐富的成都市水資源更顯得捉襟見肘，市民們的正常用水安全，特別是飲用水安全將面臨前所未有的挑戰。在有限的水資源條件下，為保障市民們安全、正常用水，水資源得到充分的利用，水質監測迫在眉睫。

從成都市水資源的構成分析，我們把目光聚焦到成都市的徐堰河和柏條河。徐堰河柏條河自西向東貫穿郫縣，其不僅是流經郫縣水資源最豐富的兩條河流，同時也為成都市中心城區提供90%以上的飲用水，直接關系到上千萬人的飲水安全，責任重大。因此，在徐堰河柏條河上建立水質監測系統作用非凡，可大大提高成都市用水的安全性，最大限度的利用好本地水資源。

2 設計目標

（1）保證成都市居民的用水安全。我們注意到在成都市城市結構日益發展的同時，居民用水安全問題面臨巨大挑戰，傳統的水質監測模式不能滿足及時、實時的要求，水質數據更新緩慢，市民用水安全難以得到有效保障。新的水質監測系統將致力于為相關工作人員提供實時的水質數據，為市民們的安全用水保駕護航。

（2）將自動化運用于水質監測系統。傳統的水質監測是采取人工的現場采樣、室內實驗室分析的方法，其數據傳輸途徑復雜，周期長，耗時費力，而且在工作人員將采樣帶回實驗室的過程中水質可能會發生變化，相關工作人員很難及時全面地掌握水體水質的動態變化，也難以對造成水質變化的原因進行追蹤、調查和及時采取相應的措施。基于ZigBee無線網絡的在線水質監測系統將使水質監測系統進入到自動化時代，這將大大減少傳統水質監測系統運行過程中數據采集、數據傳輸過程中所耗費的人力物力，新的水質監測系統將更加經濟高效，綠色環保。

（3）建立水質綜合分析系統。各水質監測節點將與處于終端的水質綜合分析處理系統練成網絡拓撲結構，運用數據庫系統對水質的各項數據、相關儀器、人力等資源進行綜合管理，實現多方面、多角度、多目標地對水質進行分析，最大限度地減少影響水質分析結果的因素，為及時、全面的水質分析提供技術支持，對水質惡化等突發情況進行預警，同時也能及時對水質變化原因進行追蹤調查，采取及時措施。

（1）水質取樣。水質取樣是整個系統的龍頭，它是整個系統的眼睛，只有擁有犀利靈敏的眼睛，才能保證整個系統的正常運行，這可謂是整個系統的關鍵所在。水質取樣依托于傳感器的選用和布置。

對于傳感器的選擇，其基本要求就是要滿足能夠實現準確的測量，并且可以實現連續測量的要求。因此，傳感器首先應具有高靈敏度，確保能感應到水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機物含量、重金屬含量等對水質有重大影響的指標的變化，并且能及時的做出反應。其次，考慮到該系統監測的徐、柏二河的流域面大，為了監測數據準確、監測覆蓋區域不失一般性的需要，傳感器的部署點較廣、數量較多，而且傳感器的布置不應影響徐、柏二河的正常生態情況，傳感器還應滿足體積小、成本低的要求。最后，傳感器是自動化中重要的一個環節，其處于長期無人看守和相對較惡劣的環境下，為了能保證長久的生命周期和不受外界條件的干擾，傳感器必須具備性能穩定和低功耗的要求。

對于傳感器的部署，考慮到不同物質由于自身密度不同的原因，其隨水流流動的速度不一樣，導致污染物等化合物隨水流深度的不同，各種需要被監測物質的含量也不同。同時，由于水體內浮游植物、陽光、溫度等因素，不同深度的水中，諸如融氧、有機物含量等被監測物質的濃度也會有一定的差異。因此，在建立傳感器網絡拓撲結構的時候，傳感器的布局十分關鍵。為實現水體中不同深度都有傳感器的存在，我們可以通過將傳感器通過錨索固定在水底，每個傳感器上系一個浮標，通過浮標的浮力使傳感器節點懸浮在不同水深。

（2）數據傳輸。水質監測系統的數據傳輸可分為三個部分。其一是基于傳感器的水質監測節點與匯聚節點之間的數據傳輸；其二是匯聚節點與嵌入式網關之間的數據傳輸；其三是嵌入式網關與水質綜合分析處理系統之間的數據傳輸。

傳感器與匯聚節點之間的數據傳輸是整個數據傳輸中的核心。ZigBee技術具有低功耗、低成本、網絡容量大、網絡自組織、自愈能力強的特點，其使用協議簡單，傳輸速率在20K字節/秒至250K字節，秒之間，其有效傳輸范圍為10-75m。

ZigBee技術所具有的這些特點契合了傳感器正常工作所需要的條件，解決了傳感器分布廣泛、易受環境干擾等帶來的問題。通過ZigBee技術傳感器組成一個樹形通信網絡結構，監測范圍得到了有利保障，數據監測節點也更易整合。

在ZigBee傳感器網絡中，傳感器節點分為兩類，第一類傳感器節點作為終端專職于采集、發送實時數據；第二類類傳感器節點兼顧終端和路由器雙重功能，在采集、發送實時數據的同時，還要對其他節點發送過來的數據進行存儲、融合等處理。數據經過第二類傳感器節點整合后再將發送至匯聚節點。匯聚節點為整個無線網絡的協調管理者，匯集處理各個節點的數據。由于匯聚節點處數據流量較大，ZigBee技術傳輸速度慢，且不適于遠距離傳輸，故在數據傳輸途中設置嵌入式網關實現ZigBee網絡和Internet的協議轉換。嵌入式網關通過串口獲得數據后對其進行封裝，通過Internet進行遠距離傳輸至水質綜合分析系統。

（3）水質綜合分析處理系統。該系統將實現對各項監測數據、監測儀器等一系列相關資源的統一管理，形成高效集成系統。該系統具備實時監控能力，能對徐柏二河水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機物含量、重金屬含量進行實時監控，依據水質標準對水質進行綜合的水質評價，對水質情況進行預報。在與已有數據相比較的基礎上，該系統能及時對水質的惡性變化發出預警信息，為相關人員制定應急方案提供參考。系統運行后，在獲得大量水質數據的基礎上，對水質資料進行整編保存，以此作為以后水質監測綜合分析工作的指導。

4 結束語

我國的水質監測以往常采用現場采集水質信息然后回實驗室進行后期分析處理的方法，這種傳統的方法明顯存在采樣數量少，水質監測周期長，無法獲得水質實時數據，無法對水質突發惡性變化進行預警等方面的不足。徐堰河、柏條河水質監測系統能充分利用系統各組成部分的優勢，做到在水質監測區域廣采樣，及時為后方水質綜合分析處理系統傳輸水質數據，實現對水質的實時監控，提高對水質污染等突發惡性情況的預警處理能力，并以此為成都市居民的用水安全提供保障。自動化的水質監測系統的運用不僅是在成都，在全國也是一項新的工程。在后期使用過程中，確保系統各部分正常運行，達到設計使用目標，真正發揮該系統實時監控預警的作用，這些都將為我國水質監測系統的發展提供參考，具有重要的意義。