基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

葛 秋

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，沈陽 110003)

0 引 言

在過去的幾十年里，觀音閣水庫周圍的水域受到不同程度的污染。徹底消除污染似乎是一個(gè)難以完成的任務(wù)，但在污染發(fā)生時(shí)限制其影響是完全可能的。文章的主要目的是設(shè)計(jì)一種監(jiān)測水域質(zhì)量的方法，以幫助水庫利用物聯(lián)網(wǎng)和遙感技術(shù)控制水污染。

智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將使用RS技術(shù)測量以下水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析：潛在氫(pH)、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率和溫度。在監(jiān)測這些參數(shù)時(shí)，人們認(rèn)為應(yīng)該得到一組穩(wěn)定的結(jié)果。因此，一系列連續(xù)的異常測量將表明水污染物的狀態(tài)，用戶將在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下達(dá)到這一目的，如短時(shí)間內(nèi)的異常讀數(shù)，將被記錄，但不作為警報(bào)處理。因此，隨著這一監(jiān)測方法的成功實(shí)施，利用多個(gè)監(jiān)測站的完全實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水污染預(yù)警系統(tǒng)[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一個(gè)革命性的新概念，它有可能將研究的任何領(lǐng)域智能化。未來，機(jī)器與其他機(jī)器進(jìn)行通信，并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)做出決策，完全獨(dú)立于最終用戶。

每一項(xiàng)發(fā)明都是從一個(gè)簡單的想法開始的，這就是定義歷史所需要的全部。計(jì)算機(jī)的發(fā)明者艾倫·圖靈談到了機(jī)器有傳感器，人類教機(jī)器，我們今天稱之為人工智能(AI)。然后出現(xiàn)了萬維網(wǎng)，公眾可以獲得的信息流，而這正是實(shí)現(xiàn)特斯拉斯預(yù)測所缺少的?！拔锫?lián)網(wǎng)”這個(gè)詞是凱文·阿什頓在1999年發(fā)明的，因?yàn)樗鼘鞲衅鞯母拍钆c互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來[2]。也許很難看出物聯(lián)網(wǎng)的重要性，但每一項(xiàng)進(jìn)步都是為了讓日常工作更簡單、更安全[3]。

2 水庫水質(zhì)監(jiān)測方法

2.1 觀音閣水庫

文章選取觀音閣水庫作為研究對(duì)象，觀音閣水庫工程位于遼寧省太子河流域本溪縣境內(nèi)，是遼寧省利用外資修建的大型水利工程項(xiàng)目之一，水庫于1995年9月竣工。水庫庫區(qū)水面有62 km2，最大庫容量21.68億m3，控制流域面積為2795km2，觀音閣水庫具有供水、發(fā)電和防洪的綜合效益。

2.2 監(jiān)測步驟

1)第一項(xiàng)任務(wù)，也是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，是確定哪些水參數(shù)可以為水污染提供密切的指示。另一方面，這些參數(shù)提供的關(guān)于流域?qū)嶋H污染程度的信息非常少。因此，分析將考慮集合參數(shù)行為，以生成有效的輸出，該輸出要么被污染要么未被污染。

2)第二步是選擇將提供有用數(shù)據(jù)的區(qū)域設(shè)置。所涉區(qū)域應(yīng)該是易受某些化學(xué)波動(dòng)的影響，因?yàn)樵谇鍧?、未受影響的水域上進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取會(huì)產(chǎn)生已知的結(jié)果。

3)第三個(gè)障礙是哪種形式的數(shù)據(jù)記錄將產(chǎn)生可接受的格式。FTP解決方案最初是在本地網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)的，但是沒有本地互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的干預(yù)，這似乎是最不方便的選擇。云服務(wù)器也被認(rèn)為是一種直觀、更持久的解決方案。關(guān)于這個(gè)問題的工作仍在進(jìn)行中。接下來，由于設(shè)備有SD存儲(chǔ)選項(xiàng)，數(shù)據(jù)記錄最終是在硬件上以文本格式完成的，幾乎任何應(yīng)用程序都可以輕松讀取。

4)最后一步是確定一種可接受的、熟練的和準(zhǔn)確的分析形式。由于流域中含有大量的未知物質(zhì)，這些未知物質(zhì)將很快在化學(xué)上改變被測物的性質(zhì)。這反過來又會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的讀數(shù)。如前所述，一個(gè)測量參數(shù)的變化可能并不表明海水實(shí)際上存在污染物。集體衡量的結(jié)果必須在一段時(shí)間內(nèi)保持一致，才能被視為可能的威脅。此外，為了克服這一障礙，必須以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方式設(shè)計(jì)智能分析系統(tǒng)。

3 參數(shù)選擇

3.1 溫度

重要的是記錄溫度和其他參數(shù)，因?yàn)檫@將有助于對(duì)被測參數(shù)進(jìn)行行為分析。根據(jù)溫度關(guān)系理論，pH值和電導(dǎo)率在溫度變化較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生不良影響。

3.2 pH值

溶液的pH值是溶液酸堿度的量度。pH標(biāo)度為對(duì)數(shù)標(biāo)度，范圍為0-14，中性點(diǎn)為7。高于7的值表示堿性溶液，低于7的值表示酸性溶液。大多數(shù)水生生物喜歡pH值在6.5-9.0之間。在這個(gè)范圍之外的任何流域生態(tài)系統(tǒng)都是致命的。極端的pH值也會(huì)增加元素和化合物的溶解度，使它們有毒，因此更有可能被流域生物吸收。此外，溫度與pH成反比關(guān)系，即隨著溫度升高，pH值降低，反之亦然。

3.3 氧化還原電位(ORP)

氧化還原電位是溶液氧化能力的量度。簡單地說，它可以被描述為解決方案自我凈化能力的潛力。較高的ORP值表明存在更多的氧化劑。同樣，較低的ORP意味著存在更多的還原劑。

據(jù)了解，水生生物的典型良好值應(yīng)在100 mV至200 mV附近。任何超出這些限制的東西都是要調(diào)查的。同樣的道理也適用于ORP水平非常高的自來水，由于使用了氯等消毒劑，其ORP水平通常高達(dá)600mV。任何超出這個(gè)范圍的東西都應(yīng)該被調(diào)查。

3.4 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率表示溶液的離子強(qiáng)度。換言之，這是一種解決方案的導(dǎo)電能力，其典型測量單位為微西門子每厘米(uS/cm)。隨著水中溶解離子的增加，電導(dǎo)率增加。因此，自來水的導(dǎo)電率明顯較低，約為100 uS/cm。電導(dǎo)率值的任何進(jìn)一步增加都可能表明受到污染的水，例如下水道泄漏或化學(xué)廢物涌入水中。

此外，電導(dǎo)率與鹽度直接相關(guān)，即隨著鹽度的升高，電導(dǎo)率提高。超出最佳水平的導(dǎo)電率值表明可能存在負(fù)面情況。溫度與電導(dǎo)率成正比關(guān)系。一般認(rèn)為溫導(dǎo)關(guān)系是線性的，偏差為2%/℃。

4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這個(gè)項(xiàng)目背后的主要概念可以在一個(gè)簡單的框圖中描述，如圖1所示，圖2顯示了傳感器和微控制器板的設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器、SD存儲(chǔ)器和GSM模塊組成。

采集的數(shù)據(jù)可以通過SD卡存儲(chǔ)在船上，也可以發(fā)送到文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)器或云服務(wù)器。在本項(xiàng)目中，使用云服務(wù)器和本地機(jī)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

此外，由于預(yù)計(jì)部署時(shí)間將持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年，因此節(jié)能勢在必行。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了睡眠模式，即在連續(xù)讀取1h后，系統(tǒng)將獲得15min的睡眠時(shí)間。為了進(jìn)一步延長電池壽命，所有空閑模塊都被設(shè)置為關(guān)閉模式。例如，當(dāng)一個(gè)SD卡操作完成時(shí)，SD模塊將關(guān)閉。GSM和串行通信也實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。此外，還設(shè)置了警報(bào)，以通知用戶某些情況，如電池壽命和進(jìn)度報(bào)告。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行的總體框圖

圖2 傳感器和微控制器板的部署設(shè)置

5 監(jiān)測結(jié)果

對(duì)來自觀音山水庫水源的4個(gè)水樣進(jìn)行了測試，以確定每種指標(biāo)的參數(shù)參考。4個(gè)水樣在室內(nèi)環(huán)境溫度下用4個(gè)獨(dú)立的相同系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行測試。每隔1h讀取讀數(shù)，共12h。出于安全原因，這些系統(tǒng)沒有部署在特定的相關(guān)區(qū)域，而是在安全的受控環(huán)境中收集和測試水樣，結(jié)果如圖3-圖7所示。

對(duì)收集到的河水的溫度、電導(dǎo)率、pH以及ORP進(jìn)行分析。溫度變化范圍在22.25℃-23.5℃，電導(dǎo)率的變化范圍在58.336-58.345 uS/cm，pH為7.74845-7.7487，ORP基本上圍繞0.147V左右波動(dòng)。從圖3圖4中可以看出，電導(dǎo)率同溫度變化走勢類似，隨著溫度的升高電導(dǎo)率也在升高，pH隨時(shí)間先增長后趨于穩(wěn)定，整體水質(zhì)呈略堿性，河水的ORP為147 mV，考慮到可接受范圍為100-350mV，表明水樣整體情況良好。

6 結(jié) 論

本研究展示了一個(gè)智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在12小時(shí)內(nèi)每小時(shí)對(duì)水庫的水源進(jìn)行測試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度。所得結(jié)果與預(yù)期研究結(jié)果相符。同時(shí)還觀察到了所有水樣的溫度與pH和電導(dǎo)率的關(guān)系。GSM技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)參考參數(shù)向最終用戶發(fā)出警報(bào)，以便立即采取行動(dòng)，確保水質(zhì)。此外，從所有不同水源獲得的參數(shù)參考將用于構(gòu)建分類器，用于以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的形式執(zhí)行自動(dòng)水分析。簡而言之，該系統(tǒng)通過在整個(gè)測試期間提供準(zhǔn)確和一致的數(shù)據(jù)，以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)水監(jiān)測的附加功能，證明了其價(jià)值，這應(yīng)該是實(shí)時(shí)水監(jiān)測解決方案的一個(gè)優(yōu)秀競爭者。