物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

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摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)+傳感器的技術(shù)應(yīng)用，結(jié)合機電控制技術(shù)、流體取樣技術(shù)，設(shè)計并實施了水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了此系統(tǒng)的功能組成及工作原理。系統(tǒng)實現(xiàn)快速、實時、準(zhǔn)確地分析檢測河涌（渠）道的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，同步生成水溫、溶解氧、氨氮、pH值、化學(xué)需氧量、濁度、氧化還原電位7個水質(zhì)指標(biāo)及水位高度的數(shù)據(jù)波形圖并上報管控中心，有效避免了當(dāng)前人工監(jiān)管作業(yè)方式的偏差風(fēng)險及實效性問題。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測；在線水質(zhì)檢測；在線取水

引言

根據(jù)國家2016年12月11日印發(fā)并實施的《關(guān)于全面推行河長制的意見》，珠海市政府隨即印發(fā)《珠海市全面推行河長制工作方案》的通知，并啟動《珠海市全面推行河長制“一河一策”實施方案》的編制工作，旨在基于通過布署物聯(lián)網(wǎng)在線式的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，進行遠程河涌（渠）道水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測及監(jiān)管，形成管轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)的大數(shù)據(jù)。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型分析，實現(xiàn)管轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)變化規(guī)律的可視化管理，從而提供科學(xué)的決策數(shù)據(jù)支撐[1-2]。珠海市轄區(qū)內(nèi)的河涌（渠）道分布較廣?，F(xiàn)行主要的管理手段是依靠人工定期巡查及臨時從相關(guān)河涌（渠）道中抽檢采樣進行管理，即人工攜帶采樣桶到現(xiàn)場采樣，采取的水樣裝瓶后再送到檢測中心化驗分析。這種傳統(tǒng)的人工作業(yè)方法因人而異，采樣作業(yè)方式各異，現(xiàn)場水位也不統(tǒng)一，常常遇到水太淺無法取樣，水太深又無法統(tǒng)一采樣標(biāo)準(zhǔn)。特別是水位變化較快的河涌（渠）道，從而嚴(yán)重影響水樣的代表性。另外，受限于人力及交通原因，現(xiàn)有檢測的頻率及密度次數(shù)有限，導(dǎo)致較大的監(jiān)管實效性問題。另外，在湖泊中的取樣還伴有人身安全風(fēng)險，給水質(zhì)監(jiān)管及河涌（渠）管養(yǎng)提升工作帶來了極大的困擾。國內(nèi)目前也有一些研發(fā)生產(chǎn)在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)的廠家，但大部分的產(chǎn)品是岸邊站房的形式，體積大且需要配套土建工程。一般是先建造一座站房，將相關(guān)設(shè)備安裝在室內(nèi)，并配備相關(guān)溫控及排水清洗等管道系統(tǒng)。工程實施和安裝較為復(fù)雜，費用投資成本較大，且對現(xiàn)場實施場地環(huán)境有一定要求，推廣使用存在一定的局限性。

1系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)+傳感器技術(shù)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)是以多參數(shù)在線水質(zhì)檢測傳感器為核心，結(jié)合計算機（包括軟件）技術(shù)、機電控制技術(shù)、流體取樣技術(shù)等高度集成的一套完整的自動分析系統(tǒng)。根據(jù)水質(zhì)檢測的要求，快速地對水樣進行自動采樣并檢測水溫、分析溶解氧（DO）、氨氮、pH、化學(xué)需氧量（COD）、濁度、氧化還原電位（ORP）7個水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，同時監(jiān)測水位高度和降雨量2個輔助參數(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)實現(xiàn)快速、實時、準(zhǔn)確地獲取河涌（渠）道的水質(zhì)狀態(tài)信息。超低功耗設(shè)計為工作狀態(tài)小于150mA、休眠小于20μA，定時采集并支持遠程喚醒。支持市電接入、太陽能+鋰電池供電，在無市電情況下支持全天的在線監(jiān)測工作。報送方式采用自報、自報-確認(rèn)、應(yīng)答3種兼容的混合式工作模式，同時兼?zhèn)鋵υO(shè)備電源電壓，工作環(huán)境溫度及系統(tǒng)狀態(tài)信息的實時監(jiān)測[3-6]。

2系統(tǒng)架構(gòu)及工作流程

此系統(tǒng)主要由服務(wù)器端，嵌入式端和執(zhí)行設(shè)備端3層架構(gòu)組成。其中服務(wù)器端包括接收模塊、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊、展示模塊、存儲模塊、設(shè)備端管理模塊和日志。嵌入式端主要包含主控板和核心板。主控板由執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)采集、通信交互控制模塊組成；核心板由服務(wù)器通信、配置和升級文件及擴展功能模塊組成。執(zhí)行設(shè)備為具體的底層采樣分析檢測設(shè)備，主要包括取水泵、電控水閥、水流檢測開關(guān)及相關(guān)傳感器。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具體工作是以主控板為核心進行流程控制。主控板根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測的業(yè)務(wù)需求控制執(zhí)行設(shè)備，完成水位檢測，同時判斷是否符合最低取樣標(biāo)準(zhǔn)，然后進行抽水采樣、沉淀、檢測，最后排水。水質(zhì)檢測傳感器檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果在主控板上緩存，主控板定時啟動核心板將本地緩存的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過核心板上傳到服務(wù)端。用戶（管控中心）可在服務(wù)器端查看設(shè)備運行狀態(tài)及相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)工作或業(yè)務(wù)需要對設(shè)備進行參數(shù)配置或軟件更新操作[7-9]。

3系統(tǒng)安裝及使用情況

本系統(tǒng)其中的一個監(jiān)測點于2019年12月15日在珠海灣仔海鮮街排洪渠施工完成，并于2019年12月19日正式開始投入運行。系統(tǒng)設(shè)置的運行參數(shù)如下：檢測周期為20min/次，最低取樣水位為10cm。即當(dāng)水位低于10cm時，不進行采樣取水作業(yè)。按此工作頻率，理論上每天有72組數(shù)據(jù)，每周有近500組數(shù)據(jù)。和之前每周2次固定采樣和每月2次的隨機抽檢采樣的人工作業(yè)方式相比，現(xiàn)在系統(tǒng)運行一周的數(shù)據(jù)即相當(dāng)于人工作業(yè)全年的數(shù)據(jù)，極大提升了檢測頻率及次數(shù)。此監(jiān)測點主體設(shè)備圖如圖2所示，河道取水設(shè)備圖如圖3所示。主體設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。因系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)密度較大，以近期3天的數(shù)據(jù)生成了如圖4～8所示的數(shù)據(jù)波形圖，作為簡要說明（主要摘出水位、化學(xué)需氧量、氨氮、氧化還原電位）。從圖中可以明顯看出，此監(jiān)測點的相關(guān)參數(shù)有規(guī)律性變化。例如，水位高度的峰值在夜間0點左右，最高水位1.5m，最低卻在0.1m以下，且低值在上午10點以前，水位的急劇變化在晚上0點左右，pH值基本穩(wěn)定，說明短時間內(nèi)，此區(qū)域沒有強酸強堿物的大量排放?；瘜W(xué)需氧量（COD）值基本穩(wěn)定，但在15日出現(xiàn)小峰值，然后又回落，氨氮的峰值基本出現(xiàn)在中午和晚上用餐時間（因附近有大量餐廳），氧化還原電位（ORP）規(guī)律性在上午10點左右出現(xiàn)低值。相信經(jīng)過一段時間的投運，根椐采集的數(shù)據(jù)波形圖，完全可以掌握此檢測點水質(zhì)的詳細變化情況及趨勢。

4安裝實施注意事項

根據(jù)這次安裝實施的情況總結(jié)以下經(jīng)驗。（1）安裝位置。綜合排污管道、潛在的水質(zhì)易污點，建議按照以下原則進行選擇：①盡量選擇在水質(zhì)易污區(qū)位；②靠近橋梁、岸邊有混凝土基礎(chǔ)，便于相關(guān)設(shè)備的部署；③最好具有電力基礎(chǔ)條件，若無市電條件，建議在陽光直射點，避免在大樹下及陰涼處，以保證太陽能供電效率。（2）采樣點。①盡量選擇水位最深點，避免在枯水期受水體底部泥沙的影響；②根據(jù)采水點的實際地形等實際情況，選擇潛水泵或自吸泵，原則上優(yōu)先考慮潛水泵；③采樣取水頭一定要多層過濾處理并定期更換，避免異物堵塞取水管。（3）預(yù)處理。在運行過程中，發(fā)現(xiàn)采樣取水頭很容易被水中異物、泥沙等影響，造成堵塞等采樣問題。針對這種情況，建議設(shè)置沉淀箱，先將抽上來的水進行過濾及一定時間的沉淀；然后再從沉淀箱二次采樣進行后續(xù)檢測分析；同時在采樣前，系統(tǒng)應(yīng)從進水口到整個系統(tǒng)的出水口進行一定時間的清洗程序，這個自動清洗程序能最大限度地確保水樣避免交叉污染。

5結(jié)束語

本文介紹的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)每20min進行一次檢測，并實時自動采集信息，生成報文；通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議及時把數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)焦芸刂行?，支持管控中心下發(fā)指令、臨時抽檢作業(yè)、遠程配置管理、遠程閥值預(yù)警等功能；給水質(zhì)模型分析軟件提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而依水質(zhì)變化趨勢實現(xiàn)有效預(yù)警，也可以根據(jù)實時水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)組合表現(xiàn)的綜合性質(zhì)，為決策人員提供大量客觀詳實的有效數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)。另外，該系統(tǒng)設(shè)備相對市面上的產(chǎn)品體積小、集成度高，能直接在戶外使用，安裝簡潔，無需復(fù)雜的土建站房工程，費用成本有較大的優(yōu)勢以及市場前景。在倡導(dǎo)“青山綠水就是金山銀山”的今天，隨著國家對環(huán)境保護的空前重視及管理工作的不斷細化及深入，在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)隨著信息化技術(shù)的逐步深入推廣及使用，必將對整個水環(huán)境保護、水污染控制以及維護水環(huán)境健康方面起到至關(guān)重要的作用。

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作者：喬雄輝 閔雄 單位：遠光軟件股份有限公司