無線傳感網絡的水質監測應用研究

江漢大學智能制造學院 龍家豪 向 青 錢同惠

水質監測是科研工作人員進行水質管理和治理時的一項基礎與必要工作。傳統的監測方式效率較低，人工成本較高，并且在復雜的水域中，監測人員的安全存在隱患。本文著重對無線傳感網絡的水質監測方法的研究成果進行了分析與歸類，綜合考慮了各種研究方法的主要研究成果和主要特點，并分析其主要存在的問題，最后對無線傳感網絡應用于水質監測的未來發展進行了展望。

縱觀國家的工業發展歷程，由于對于經濟發展的需求，我國在現階段內進行的是以犧牲社會環境為代價的工業化進程，也正因為如此，直接導致生活環境趨于惡性走向。20世紀初期，國家領導人就環境污染完成的社會問題發表講話，強調了金山銀山和綠水青山的本位問題，而綠水，就指的是水資源。水資源在人的發展和生存中占據重要地位。但由于過多的排污需求，使得水的自凈效率顯得很緩慢，因此人工干預是必然的趨勢和要求，我們應該有效緩解水污染問題，積極響應“長江大保護”的號召。

進行水質監測，需確保采樣工作規范、合理。若采樣頻次、方式有問題，亦或采樣點位的布設缺乏合理性，便會導致監測結果存在偏差。水樣采集完畢后必須盡快送到實驗室進行各種項目的分析，因此應保持良好的室內環境，以免對水樣的分析過程和結果產生不利的影響。這整個過程中，最貼近的數據獲取，離不開標準的操作方式。因此，為了數據的有效性，對操作人員的專業性和實驗環境的要求就比較嚴格。此外，在實驗過程中，也需要謹慎。采點取樣不合理，樣品含有雜質，試劑的純度等錯誤行為都會影響實驗分析在部分水流湍急或者極端環境下，人工水質監測存在極大的風險。研究人員為解決上述水質監測中存在的問題做了許多研究，本文在解讀水質監測指標標準的前提下，對無線傳感網絡的水質監測的研究現狀進行了分析，在此基礎上，提出了無線傳感網絡在水質檢測未來發展的潛力和趨勢。

1 水質監測指標

各地區應對地下水水質進行定期檢測，檢驗方法按照國家標準GB 5750《生活飲用水標準檢驗方法》執行，監測項目為：pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發性酚類、氰化物、砷、汞、鉻(六價)、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數、硫酸鹽、氯化物、大腸菌群，以及反映本地區主要水質問題的其它項目。

2 無線傳感網絡監測水質方法研究

在水質監測研究當中，應用最早的是傳統物理和化學監測，通常我們可以使用物理指標監測儀器，比如說測定水濁度的濁度儀，測定色度所用的濾光光度計，測定電導率用的電導率儀等，還有多功能集成型的水質監測儀可以同時測定包括總氮在內的多項物理指標的效果。目前水質監測研究主要包括無線傳感網絡監測、生物監測、遙感監測技術等。并且隨著物聯網技術的發展，很多智能監測研究都已經得到推廣，并且在特定的水質環境下都有很卓越的監測效果。

在傳統的理化監測當中，監測指標過于單一，存在主觀性，而無線傳感網絡監測方法具有智能化程度高，檢測周期短、應用領域廣，可靠性高等特點。于淑寧等采用外接接口單極接線模式構建了一種自來水水質監測系統，這種連接方式傳輸信號的穩定性極強，缺點是占地空間比較大。次世青等基于Zigbee技術提出了用于無線傳感網絡的水環境監測系統的水質監測傳感器節點的設計方法，通過每個傳感器模塊獲取水環境額數據，利用Zigbee協議將監測到的數據發送到聚合節點，并且提出了基于蟻群算法的改進型LEACH算法，通過該算法建立的路由，能夠有效地降低整個無線傳感網絡在信號發送和接受時的能耗，延長整個網絡的使用壽命。針對水產養殖無線監測系統能耗高、續航短的問題，周浩東等設計了一種基于Zigbee和GPRS的節能水質監測系統。在系統中的信號調理電路之間增加一個門芯片ADG1414或使用低功耗器件來控制每個模塊的頻率的分配，減小了系統的耦合性，減少每個模塊的上電時間，降低了硬件的能耗。對收集的數據進行分析評估，并且可以人為設置閾值，自動過濾到閾值外的數據，這不僅減少了系統傳輸的工作量，還增強了系統的續航能力。Sergio Diaz等設計并搭建了一個包括電源管理、數據測量、數據傳輸的物聯網水質監測站，并且將太陽能采集模塊當作可持續能源。張曉玲設計了一個基于無線傳感器網絡的自動化水環境監測系統。系統考慮到穩定性與持久性，采用了低功耗設計，能夠對指定水域進行連續在線監測、并且將數據傳輸到遠程控制端，對數據進行了存儲，并且可以對其進行分析。Faustine Anthony等提出了一種用于LVB中水質監測的水傳感網絡（WSN）系統原型。在開發之前，對主要環境進行了評估，包括行動地點蜂窩網絡覆蓋的可用性，該系統由Arduino微控制器、水質傳感器和無線網絡模塊組成。Sempere Paya Victor M等為城市污水管網設計了一個水質監測系統，系統由一個實時監測水質圖像和測量水位的移動系統和一個用于處理水質質量超標和水位超過閾值的緊急情況的智能平臺構成，以及采用特定協議和工具設計的無線傳感網絡，該系統充分利用了水循環，最大限度地減少人為錯誤的可能性，并提高測量的頻率和準確性。代將來等人設計了一種LoRa無線通信協議，同時運用地址過濾技術設計了一種預防通信沖突的方案，基于此研究和方案設計了一種遠程監控和管理水質狀況的系統，無線傳感網絡的的LoRa射頻模塊從遠程節點發送數據，將數據傳輸至后端服務器，這大大增強了水質監測系統的穩定性和續航能力。顏波等提出了一種基于RFID和無線傳感網絡的水質監測和預警系統，包括監測節點、融合節點電源系統和中心控制系統，將RFID讀寫器連接到電子RFID標簽網絡并且存儲了監測節點的編號和位置信息，從而提高了水質監測的效率。

綜上所述，在水質監測領域，通過無線傳感網絡來建立連接，可以有效地降低信號發送和接受的能耗，并且可以延長整個系統的壽命和穩定性，解決了傳統物理和化學監測系統耗能大、穩定性差、并且需要大量人力維護的問題。

3 結語與展望

傳統的水質監測方法是理化水質監測，往往存在效率低、工作量大等弊端，并且難以適用于復雜的水域環境。無線傳感網絡監測方法在網絡設計中最大限度地利用現有的移動通信網絡，實現了從水質傳感節點到水質監測中心的無線數據傳輸，解決了現有數據傳輸方式所帶來的弊端，并極大地提髙了工作效率、降低了人工成本。所以利用無線傳感網咯能夠完整、實時的進行數據傳輸、處理和管理，從而建立完善的水資源數據管理體系，方便水資源管理人員或科研人員的分析、決策和管理。同時無線傳感網絡可在人工難以取樣的復雜水域環境，提高監測的安全性，進行高效率的水質采樣以及實時監測，具有廣闊的應用前景。