基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

何 鵬，周 旭

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢水排放導(dǎo)致的水域環(huán)境問題日益嚴(yán)重，需要水質(zhì)檢測(cè)部門對(duì)不同地區(qū)的水域進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。由于水域環(huán)境存在較多不確定性，導(dǎo)致水質(zhì)采樣人員的人身安全得不到保障，而且檢測(cè)效率無(wú)法提升。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式主要是通過設(shè)立局部水域水質(zhì)檢測(cè)臺(tái)來了解附近的水域情況，也通過人工實(shí)地采樣獲取數(shù)據(jù)，目前較為先進(jìn)的漂浮式檢測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)站也無(wú)法對(duì)較深水域進(jìn)行水下檢測(cè)，監(jiān)測(cè)技術(shù)較為繁瑣。現(xiàn)有一些水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置雖然能夠?qū)崿F(xiàn)局部水域遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，但無(wú)法形成大范圍水域質(zhì)量監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，在水中的檢測(cè)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，因此這種監(jiān)測(cè)方式很不方便。分析和研究水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及檢測(cè)裝置的續(xù)航能力后，針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)問題研究了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)外研究起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，并且一些水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在相關(guān)領(lǐng)域中商業(yè)化。代表包括德國(guó)IQ Sensor Net的智能化測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)YSI 6920V22多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，用戶可自定數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔，如15 min采樣間隔，內(nèi)置電池可使用30 d，缺點(diǎn)是只可用于淡水。

我國(guó)的監(jiān)測(cè)方式種類逐漸增多，有漂浮式水質(zhì)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)站、站房式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、水質(zhì)云監(jiān)測(cè)平臺(tái)、水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，也有許多知名企業(yè)，如深圳的解析科技、安徽宇邦、上海海恒等。目前我國(guó)用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分為國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備，水質(zhì)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置早已不適用于迅猛發(fā)展的水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需求，所以，在我國(guó)具有寬廣的開發(fā)前景和潛在的銷售市場(chǎng)。

基于以上調(diào)研，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體需求

近年來，由于工業(yè)廢水排放及有害液體泄漏而導(dǎo)致發(fā)生了多起水質(zhì)污染事故，傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)方式需要?jiǎng)佑么罅康娜肆ξ锪Γ实停壹词乖谖ｋU(xiǎn)的冰面及危險(xiǎn)地勢(shì)水域，檢測(cè)人員也要親自去采樣，使得工作人員的人身安全存在較大隱患。因?yàn)槠惹行枰环N新型而高效的水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段，所以設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置來替代人工，提高了工作效率，保障了采樣人員的人身安全。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目在山東華宇工學(xué)院電氣學(xué)院的指導(dǎo)老師共同指導(dǎo)下，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)的研究小組對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)基于可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置及物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力和信息采集能力尤為顯著，利用物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)時(shí)傳輸水質(zhì)數(shù)據(jù)，且適應(yīng)多種水域，性能穩(wěn)定。利用可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置代替人工，能夠提高水質(zhì)檢測(cè)的工作效率，保障工作人員的安全，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開辟了新的發(fā)展方向。

2.3 整體設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)中，可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置是一套由ESP8266芯片作為主控芯片，用于基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的裝置，該芯片具有大容量、低能耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)[1]。可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置以電池作為驅(qū)動(dòng)能源，防水太陽(yáng)能板作為續(xù)航能源，并在可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置上搭載一系列傳感器，在水質(zhì)檢測(cè)方面代替人工，以2個(gè)水泵代替空氣壓縮機(jī)，交替吸水排水為基礎(chǔ)，潛入水中進(jìn)行深水作業(yè)（圖1）。水質(zhì)信息由可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置的傳感器采集來獲取，工作人員可通過手機(jī)APP或PC端對(duì)水質(zhì)檢測(cè)裝置實(shí)施遠(yuǎn)距離的控制及信息監(jiān)測(cè)[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 硬件設(shè)計(jì)

可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置的主要硬件是ESP8266芯片、防水太陽(yáng)能板、電池、水泵、pH值傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、聯(lián)網(wǎng)模塊以及拋錨裝置等（圖2）。硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)方面內(nèi)容：①可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②下潛上浮裝置的設(shè)計(jì)；③控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 實(shí)物結(jié)構(gòu)

采用壓強(qiáng)差工作方式，能夠潛入深水區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，也可以在水域表面進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置利用潛艇原理，下潛主要依靠水泵代替空氣壓縮機(jī)，往密封艙內(nèi)吸入檢測(cè)的水進(jìn)行增重下潛，當(dāng)檢測(cè)完成以后通過另一個(gè)水泵排出密封艙內(nèi)的水，產(chǎn)生與外界壓強(qiáng)差，使水質(zhì)檢測(cè)裝置上浮。密封性能的好壞對(duì)負(fù)壓效果的產(chǎn)生有直接影響，所以密封性能顯得至關(guān)重要，根據(jù)水域不同采用不同材料制作密封艙，大大提高了可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

由于ESP8266芯片只有連上局域網(wǎng)后才可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，所以局域網(wǎng)的范圍決定了芯片是否可以遠(yuǎn)距離傳輸，因?yàn)榭蓾撌剿|(zhì)檢測(cè)裝置在水里，有時(shí)甚至在湖泊河流的中央，在水質(zhì)檢測(cè)裝置的周邊水域情況復(fù)雜度不同，所以不可能為其建立多個(gè)局域網(wǎng)。采用插卡式隨身Wi-Fi作為ESP8266芯片的局域網(wǎng)來源，使其局域網(wǎng)永遠(yuǎn)跟著水質(zhì)檢測(cè)裝置移動(dòng)，故ESP8266連接局域網(wǎng)問題得到了較好的解決，在連接局域網(wǎng)后就可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

當(dāng)單片機(jī)收到各種傳感器檢測(cè)完發(fā)來的數(shù)據(jù)之后，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，在手機(jī)APP或PC端上將檢測(cè)的信息以圖表和數(shù)值的方式呈現(xiàn)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，供以后參考和分析，以根據(jù)檢測(cè)水域的水質(zhì)信息制定相應(yīng)的治理措施。水質(zhì)檢測(cè)人員可通過手機(jī)APP或PC端控制水質(zhì)檢測(cè)裝置的工作狀態(tài)，當(dāng)水質(zhì)檢測(cè)裝置正在水面充電時(shí)，但檢測(cè)人員這邊需要得到目前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就可通過手機(jī)APP或PC端遠(yuǎn)程來控制可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置立即進(jìn)行下潛工作（圖3）。把可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置作為遠(yuǎn)程工作平臺(tái)，其上配有傳感器系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、升潛系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信等系統(tǒng)，其后通過強(qiáng)大的阿里云作為云服務(wù)平臺(tái)，為可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置提供了穩(wěn)定的工作條件，為水質(zhì)檢測(cè)工作的順利完成提供了有力保障。

圖3 實(shí)地測(cè)試

2.5 軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ESP8266芯片作為主控芯片，用Arduino IDE軟件進(jìn)行程序編輯[3]。在其上集成一系列傳感器，并通過物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相配合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用可潛式水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)各水域進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳和統(tǒng)計(jì)，讓水質(zhì)采樣工作人員在PC端或手機(jī)APP上實(shí)現(xiàn)對(duì)各水域水質(zhì)污染情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)裝置安裝有定位系統(tǒng)，可通過PC端或手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各水域檢測(cè)裝置的位置及每個(gè)裝置檢測(cè)的水域質(zhì)量信息狀況，大大降低了水質(zhì)采樣工作人員實(shí)地檢測(cè)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性，節(jié)省了大量的人力物力，更重要的是給工作人員節(jié)省了大量時(shí)間，并提高了水質(zhì)檢測(cè)效率[4]。

可根據(jù)監(jiān)測(cè)水域的檢測(cè)需求，在可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置上集成所需檢測(cè)水質(zhì)信息的傳感器。安裝時(shí)，傳感器檢測(cè)部分暴露在硬件電路倉(cāng)外，并且安裝在硬件電路倉(cāng)的中下部分。當(dāng)可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置進(jìn)行下潛檢測(cè)時(shí)，通過傳感器在水里采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，用于與手機(jī)APP或PC端傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過學(xué)習(xí)和研究，用可潛式水質(zhì)檢測(cè)裝置代替了人工，并遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高了水質(zhì)檢測(cè)工作的效率和安全性，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開辟了一條新的道路。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)方面的性能較好，有著較高的研究?jī)r(jià)值，發(fā)展前景樂觀。

圖4 軟件界面