基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

安徽理工大學(xué) 都 康 唐 磊 張玉全

眾所周知，生命的生存必須依賴水資源。不論是陸地生物還是海洋生物，需要的水資源中含有的物質(zhì)含量是不同的，水中一些物質(zhì)含量變化過大，就可能造成生物無法生存，水被污染，環(huán)境被破壞。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)雖說不能直接解決問題，但是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對湖泊，海洋等安放各種不同作用的傳感器，能夠做到對水質(zhì)的在線監(jiān)測，能夠?qū)崟r的反映出水質(zhì)的變化，使得我們對水質(zhì)的保護以及污染的治理，有很重大的積極作用。

引言：當(dāng)今世界水環(huán)境面臨的兩大難題，一時缺水，二就是水污染問題。這兩個問題越來越受到世界各地的重視和關(guān)注。我國國土面積龐大，水資源儲量十分豐富，但是由于我國人口高達14億，平均下來的水資源量是很少的。我國是世界13 個嚴(yán)重缺水的國家之一，人均水資源尚不足世界人均水平的1/4（李偉.基于ARM處理器的灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2012(1):76-79）。并且我國從改革開放到現(xiàn)在，工業(yè)污水的排放污染了大量的水資源，農(nóng)業(yè)和生活污水也對水污染造成的不小的影響。

我國的水質(zhì)分為五類，作為飲用水源的僅為一、二、三類。

由圖表數(shù)據(jù)不難看出，目前中國的水污染情況已經(jīng)非常嚴(yán)重。目前中國的水體污染主要是重金屬和有機物等污染物造成的嚴(yán)重水污染。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引用, 我們的水質(zhì)監(jiān)測手段得到了一個較好的擴充我們可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)一個在線的實時自動控制的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合運用,通過有效合理的硬件設(shè)計和選擇, 然后再結(jié)合軟件部分的有效控制和人為干預(yù)就實現(xiàn)了水質(zhì)的實時在線監(jiān)測（朱小紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江科技信息,2014-07-253），這樣做可以確保保持水質(zhì)或恢復(fù)到理想水平。它的定期監(jiān)測有助于評估性質(zhì)和程度對污染控制的要求，以及有效性污染控制措施。

1.物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)這個名詞最初是在1999年提出的。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）被定義為物理對象/物體的網(wǎng)絡(luò)-設(shè)備，車輛，嵌入傳感器的建筑物，微控制器和網(wǎng)絡(luò)連接，使這些對象能夠收集和交換數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)可以被描述為一個巨大的嵌入式對象網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)置無線技術(shù)，可以在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中進行監(jiān)控，控制和鏈接。每個設(shè)備都有唯一的標(biāo)識，必須能夠自主捕獲實時數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)建模塊包括傳感器，處理器，網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用程序。據(jù)估計，到2020年，將有500億“東西”連接到互聯(lián)網(wǎng)。諸如Wi-Fi，藍牙，ZigBee，RFID，6LoWPAN（IPv6低功率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）之類的無線技術(shù)允許設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)并相互連接。

云服務(wù)收集。互聯(lián)網(wǎng)中擁有強大的云端，能夠存儲和分析傳感器收集的數(shù)據(jù)，并允許人們通過網(wǎng)絡(luò)接入之后進行相應(yīng)的查閱或者修改。由于智能手機的快速普及，移動數(shù)據(jù)管理應(yīng)用正在增加智能手機現(xiàn)已成為計算和通信的平臺中不可缺少的一部分了。智能手機/平板電腦比體積更大的個人電腦更便宜，更易于使用，并且可以用于多種類型的信息傳輸。移動數(shù)據(jù)應(yīng)用以及傳感器技術(shù)可以提高水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報告的效率和準(zhǔn)確性。使用智能手機/平板電腦可以連接到因特網(wǎng)，它們將作為物聯(lián)網(wǎng)的中心/遠程控制。在無所不在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，智能物品是互聯(lián)網(wǎng)的一部分;授權(quán)用戶可以訪問信息;服務(wù)器充當(dāng)接收器以從每個對象收集數(shù)據(jù)。

2.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 傳感器要求以及選擇

水質(zhì)的檢測包含了很多的方面，水體環(huán)境的物理指標(biāo)項包括水溫、滲透壓、混濁度（透明度）、色度、懸浮固體、蒸發(fā)殘渣以及其它感官指標(biāo)如味覺、嗅覺屬性等等。

水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)包括：

（1）有機物，生物化學(xué)需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD、OC）、總有機碳（TOC）、總需氧量（TOD）。

（2）無機性指標(biāo)。①植物營養(yǎng)元素 污水中的N、P為植物營養(yǎng)元素。②pH值 主要是指示水樣的酸堿性。③重金屬。重金屬主要是指汞、鎘、鉛、鉻、鎳，以及類金屬砷等生物毒性顯著的元素。

（3）生物性指標(biāo)。①細菌總數(shù)；②大腸菌群。

環(huán)境監(jiān)測角度的水質(zhì)五參數(shù)是：PH、水溫、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧。

在這里，本實驗采用 PH、溫度、電導(dǎo)率和溶解氧4種數(shù)據(jù)作為本次實驗測試數(shù)據(jù)。

因此需要使用大量各種功能的傳感器來進行水質(zhì)的在線監(jiān)測，因此傳感器在具備了自身的監(jiān)測功能之外，對傳感器提出了其他的要求：

（1）準(zhǔn)確性。不論在任何情況下，傳感器的準(zhǔn)確性要求都是放在第一位的，正確的數(shù)據(jù)才是一切技術(shù)和措施的前提，數(shù)據(jù)錯誤了，后面的一切工作都是沒有意義的。

（2）穩(wěn)定性。傳感器需要長時間工作在水下的環(huán)境中長時間收集數(shù)據(jù)。因此對傳感器的穩(wěn)定性要求是必不可少的，傳感器穩(wěn)定工作能夠減少工作量和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）實時性。實時性是指傳感器除了在數(shù)據(jù)收集與發(fā)送之外，還能夠?qū)h程監(jiān)測中心的指令能夠迅速響應(yīng)并執(zhí)行。

（4）經(jīng)濟性。基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包含了大量的不同的傳感器，價格不一，性能也不同，因此經(jīng)濟性成為了一個必不可少的因素。

2.2 無線通訊方式的選擇

水質(zhì)監(jiān)測的通訊方式主要一無線傳感網(wǎng)絡(luò)為主，目前常用的技術(shù)來說又wi fi技術(shù)，Zigbee技術(shù)，藍牙技術(shù)，紅外和家庭射頻這五種。

綜合幾種通訊方式來說，符合多方面的要求的又wifi技術(shù)和Zigbee技術(shù)兩種。Wifi技術(shù)的使用依賴與英特網(wǎng)的接入和設(shè)備的接入，綜合來說，成本較大并且操作相較于Zigbee復(fù)雜。因此，在水質(zhì)監(jiān)測的無線通訊選擇Zigbee方式。Zigbee通訊模塊是一種具有：

（1）低功耗。在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可以使用6個月到兩年。

（2）低成本。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，因此成本很低。

（3）有效范圍小。一般來說，有效覆蓋范圍在10到75米之間。（4）時延短。通常時延在15到30毫秒。

（5）高容量。網(wǎng)絡(luò)可以最多容納65000個設(shè)備。（6）低復(fù)雜度。

（7）安全可靠。

（8）工作頻段靈活。使用的頻段為為 2.4GHz、868MHz（歐洲）和 915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段（何飛舟,楊鐵夫,劉橋.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在交通信息領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技,2010-04-15）。

現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中，諸如農(nóng)業(yè)，工業(yè)，汽車，醫(yī)療救援，智能家具等等。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點

節(jié)點的設(shè)計要求首先需要對數(shù)據(jù)的接收，匯總。首選應(yīng)該是帶有增益放大功能的信號傳輸節(jié)點接口。數(shù)據(jù)接收，對數(shù)據(jù)進行處理，然后通過放松模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心進行進一步的處理。

2.4 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心是數(shù)據(jù)最后到達的一個站點，遠程監(jiān)控中心是數(shù)據(jù)接收的總站，所有的數(shù)據(jù)都將被傳輸?shù)竭@里，對所有的數(shù)據(jù)進行解析、處理并存儲留待工作人員查閱使用。

3.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的部分的設(shè)計

3.1 PH監(jiān)測

PH監(jiān)測主要依賴于PH傳感器。pH值是衡量水究竟酸性還是堿性的指標(biāo)。pH值為對數(shù)，從0到14.pH值表示氫離子濃度的值。 酸性低，堿性溶液高。 天然水源pH值約為7左右，不論PH值過高或者過低，對水體來說，都是有危害的。PH傳感器和ZIGBEE相應(yīng)模塊組合使用可以實時監(jiān)測水的PH數(shù)據(jù)

3.2 溫度監(jiān)測

溫度傳感器可以實時監(jiān)測水溫情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZIGBEE模塊通信并傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可以在收到數(shù)據(jù)之后進行相應(yīng)的措施。

3.3 電導(dǎo)率監(jiān)測

電導(dǎo)率傳感器被廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活中 ,成為各行各業(yè)生產(chǎn)與開發(fā)中必不可少的一種檢測與監(jiān)測裝置。電導(dǎo)率傳感器的使用監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)通過ZIGBEE模塊傳輸?shù)较鄳?yīng)的監(jiān)控中心。

3.4 溶解氧監(jiān)測

溶解氧很容易理解，就是水中溶解的氧氣含量。水中動物的生存是離不開氧氣的，因此溶解氧的測定對水中動物的生存來說是至關(guān)重要的。使用溶解氧傳感器監(jiān)測溶解氧數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

4.結(jié)論

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，利用了現(xiàn)有的ZIGBEE技術(shù)的特點，成本低廉，穩(wěn)定性高，易于實現(xiàn)，方便管理等特點，并且還可以添加其他的傳感器擴大系統(tǒng)功能對水質(zhì)的的監(jiān)測。不僅可以第一時間得知水體污染情況，一旦出現(xiàn)指標(biāo)不正常時還可以采取快速行動來控制，以免水體污染導(dǎo)致的災(zāi)害或者疾病的發(fā)生。