基于物聯網的水源水質監測技術探討

古正光

基于民眾生活水平的持續提升，對飲用水的需求量呈現出逐年增高的態勢，但是受到生活污染、工業生產等因素的影響，使得飲用水源水質受到不同程度的污染。縱觀現階段我國水源水質監測工作的開展，其中涉及諸多部門與環節，在水源水質監測過程中針對污染問題難以做到第一時間進行反饋和采取措施解決。并且我國近幾年對水質監測系統的構建逐漸加大資金投入力度，但是其監測效果仍無法滿足實際需求。究其成因，在于目前大部分監測站只能做到對常規參數的監測，如溶解氧、濁度、水溫等，針對有機污染物的監測能力有待提升。對此，需依據對現階段水源水質情況的分析，進行水源水質監測平臺的創新，以期為水源監測工作的高質量開展打下基礎。

一、功能需求分析

水源水質監測通常情況下可以具體分為生物毒性監測與理化監測，不同監測項目的優缺點不同。針對理化監測而言，其優勢特點體現為指標監測重復性良好、指標監測客觀性強，其劣勢體現為存在較高漏報率、指標少等。針對生物毒性監測而言，其優勢體現為綜合性強、毒物作用的綜合體現、光譜性強，其劣勢體現為誤報率高、抗干擾能力低等。對此，實現對水源水質的全面且客觀的監測，可通過對生物毒性與理化監測的聯合開展，以優勢互補的形式來提升水源水質監測的全面性與準確性。

依據對現階段水源水質監測開展現狀的分析，確定本研究所構建的水源水質監測平臺需要具備以下功能：

1.監測對象

進行監測對象的拓展，除常規的水溫、pH值、濁度、電導率、溶解氧監測參數之外，進行蚤生物毒性、紫外線吸收、斑馬魚生物毒性指標監測的拓展，實現對水源水質監測對象的豐富。

2.監測時效性

以間斷運行方式進行浮標運行的控制，將浮標運行與休眠時間比例控制在1:11，即在實際運行過程中，針對相關水質參數的采集以30min為間隔。

3.數據處理

針對不同水質參數的處理，服務器在接收水質數據時以GPRS無線通訊模塊為載體，并通過云計算平臺來實現對數據的融合、計算、分析。數據處理平臺涉及對數據資源庫的構建，并依據對采集數據的應用構建預測模型，運行期間以標準值為參照進行采集數據的比對與分析，在超出規定值后第一時間預警。同時，相關管理人員可利用移動終端進行水質參數信息的獲取，通過觀察水質變化曲線圖來實現對水質參數變化的掌握，做到對水源水質變化情況的直觀化分析。

二、監測系統框架構成

1.系統架構

針對水源水質監測系統的設計，其具體劃分為感知層、網絡層以及應用層。其中應用層囊括預測模型、預警模塊、手機客戶端模塊以及數據庫模塊；網絡層囊括服務器、無線通訊模塊、云計算平臺，云計算平臺可支持對采集數據的融合、分析以及計算；感知層則主要是依托于傳感器設備的應用來實現對水質參數的采集。

2.關鍵技術

該系統平臺所采用的關鍵技術包括：

（1）太陽能供電技術

太陽能供電模塊的組成具體包括智能控制器、電池板以及鉛酸電池等。功能方面實現對過充、過防情況的保護，并支持對過載、電子短路等問題的保護功能。同時，為實現對太陽能供電效果的提升，在低壓提升電路方面進行深度研發，并依據監測平臺運行需求的分析，進行鉛酸電池充電時段的擴充，且在連續陰雨的情況條件下，鉛酸電池可維持連續8d的工作時間。若系統運行期間連續陰雨天氣維持超過8d，則可以借助智能供電技術來維持傳感器等設備的正常運行，避免水源水質監測受到陰雨天氣的影響。

（2）自動檢測設備

該監測涉及8種水質參數的監測，其中針對水溫、pH值、溶解氧等參數的監測采用國產品牌，在保證其參數監測準確性的前提下，進一步降低水源水質監測成本。以雷磁牌傳感器為例，生產企業為上海儀電科學儀器股份公司，針對不同水質參數選擇DO-975、DJS-1C、pH電極等型號。

針對濁度與紫外線吸收的測量，則涉及對光學傳感儀器的使用，可采用集監測濁度與紫外線吸收功能為一體的傳感器設備。在實際水源水質監測過程中，按照相關規定標準進行紅光、綠光、藍光以及紫外光源的依次開啟。需注意，不同光源的參數不同，分別為635nm、520nm、470nm、254nm。而針對濁度與紫外線吸收的計算，則需以90°散射光強、不同光源波長為依據進行合理計算。

針對斑馬魚毒性參數的檢測，其監測裝置的設計以斑馬魚生性為依據，將白光照明燈設置于監測裝置上，以此用作對自然光的模擬，然后將LED發光二極管設置于裝置前側中部位置，將光敏二極管設置于裝置后側面中部位置，并使二者形成水平方向的光柵欄，運行期間光柵欄在斑馬魚游行經過時會自動運行，利用高電平生成脈沖，而脈沖數只可以被單片機進行采集，監測中心接收來自傳感器的數據信息后進行存儲、分析以及計算，判斷斑馬魚是否呈現出中毒加深的情況。

針對蚤生物毒性監測而言，在監測裝置設計時主要利用生物趨光性的原理，將LED白光照明燈設置于裝置的上下兩側，并將LED發光二極管設置于裝置前后兩側，進而形成水平方向的兩道光柵欄，運行期間大型蚤會受到白光的吸引來游動，然后打開上部白光照明來吸引大型蚤向上游動，利用單片機進行游動次數的檢測，通過判斷大型蚤穿越光柵欄次數來確定中毒癥狀。

（3）客戶端服務與服務器交互

為實現對GET、POST請求的滿足，將API接口設置于服務器一側，以JSON為主進行返回數據格式的設置，采用業務邏輯進行平臺業務層的控制，各層調度請求的控制以返回規格數據的處理為基準。為確保其數據不存在丟失、篡改等現象，采用MD5參數簽名進行請求參數的傳遞。針對數據庫的構建，則以MySQL為基礎。平臺功能體現為：①對不同參數信息數據的實時獲取；②登錄驗證；③選7d內相關指標參數的歷史數據獲取，其中參數波動情況會以折線圖進行體現；④分頁取數。

三、系統實現

將該系統平臺應用于水源水質監測中，浮標在單片機的控制下實現定期進行水質參數的采集，然后利用GPRS模塊進行水質參數信息的傳遞，服務器在接收相關參數信息后借助云計算平臺完成對數據信息的融合與處理，依托于處理信息數據構建預測模型，以模型為基準進行不同指標參數的分析與比對，用戶可通過遠程控制的方式進行水質曲線圖的獲取，進而實現對水源水質情況的遠程獲取，并準確掌握不同指標參數的變化情況。

四、結束語

綜上所述，基于物聯網的水源水質監測系統構建，充分利用傳感器、通訊、云計算、GPRS、大數據等技術實現對相關水質指標參數的實時采集，在提升水源水質監測范圍的同時，進一步提升水源水質監測的客觀性與準確性，并做到對水源水質參數信息的遠程獲取與判斷。