成都市徐堰河柏條河水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何鑫　張振宇　李華麗　周兵奇

摘要：徐堰河柏條河作為成都市兩條重要的河流，對(duì)成都市的供水起到了至關(guān)重要的作用，因此徐堰河柏條河的水質(zhì)情況對(duì)成都市的用水安全有著重要的影響。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是通過(guò)人工提取水樣，將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析，該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)徐堰河、柏條河水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，易造成水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況的延遲。一旦徐柏二河發(fā)生污染，這種監(jiān)測(cè)方式不能夠及時(shí)反映水質(zhì)污染情況，導(dǎo)致污染進(jìn)一步擴(kuò)大。通過(guò)采用在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)了解污染情況，能夠馬上采取措施，使污染處在一個(gè)可控的范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：成都市；水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)化；傳感器

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）07-0075-02

1 背景分析

成都市地處川西水網(wǎng)區(qū)腹部，本地水資源總量為93.26億m³，過(guò)境水源量為183.76億m³。雖然成都市本地水資源與過(guò)境水資源構(gòu)成的水資源總量較為豐富，但成都市人均占有量卻不足3000m³，僅為世界人均占有量的30%。由此可見(jiàn)，成都市水資源并不充裕，并且已經(jīng)被列為全國(guó)缺水城市之一。隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的提出，城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，成都這個(gè)位于中國(guó)西部中心的古老城市正再次煥發(fā)出別樣的風(fēng)采。穩(wěn)步發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、便利的交通以及天府之國(guó)宜人的氣候正吸引越來(lái)越多的人來(lái)到成都并在此定居生活。日益嚴(yán)峻的人口壓力將使本就不豐富的成都市水資源更顯得捉襟見(jiàn)肘，市民們的正常用水安全，特別是飲用水安全將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在有限的水資源條件下，為保障市民們安全、正常用水，水資源得到充分的利用，水質(zhì)監(jiān)測(cè)迫在眉睫。

從成都市水資源的構(gòu)成分析，我們把目光聚焦到成都市的徐堰河和柏條河。徐堰河柏條河自西向東貫穿郫縣，其不僅是流經(jīng)郫縣水資源最豐富的兩條河流，同時(shí)也為成都市中心城區(qū)提供90%以上的飲用水，直接關(guān)系到上千萬(wàn)人的飲水安全，責(zé)任重大。因此，在徐堰河柏條河上建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作用非凡，可大大提高成都市用水的安全性，最大限度的利用好本地水資源。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）保證成都市居民的用水安全。我們注意到在成都市城市結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的同時(shí)，居民用水安全問(wèn)題面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模式不能滿足及時(shí)、實(shí)時(shí)的要求，水質(zhì)數(shù)據(jù)更新緩慢，市民用水安全難以得到有效保障。新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將致力于為相關(guān)工作人員提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，為市民們的安全用水保駕護(hù)航。

（2）將自動(dòng)化運(yùn)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是采取人工的現(xiàn)場(chǎng)采樣、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室分析的方法，其數(shù)據(jù)傳輸途徑復(fù)雜，周期長(zhǎng)，耗時(shí)費(fèi)力，而且在工作人員將采樣帶回實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中水質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化，相關(guān)工作人員很難及時(shí)全面地掌握水體水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，也難以對(duì)造成水質(zhì)變化的原因進(jìn)行追蹤、調(diào)查和及時(shí)采取相應(yīng)的措施?；赯igBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將使水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入到自動(dòng)化時(shí)代，這將大大減少傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中所耗費(fèi)的人力物力，新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將更加經(jīng)濟(jì)高效，綠色環(huán)保。

（3）建立水質(zhì)綜合分析系統(tǒng)。各水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將與處于終端的水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)練成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、相關(guān)儀器、人力等資源進(jìn)行綜合管理，實(shí)現(xiàn)多方面、多角度、多目標(biāo)地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析，最大限度地減少影響水質(zhì)分析結(jié)果的因素，為及時(shí)、全面的水質(zhì)分析提供技術(shù)支持，對(duì)水質(zhì)惡化等突發(fā)情況進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)也能及時(shí)對(duì)水質(zhì)變化原因進(jìn)行追蹤調(diào)查，采取及時(shí)措施。

（1）水質(zhì)取樣。水質(zhì)取樣是整個(gè)系統(tǒng)的龍頭，它是整個(gè)系統(tǒng)的眼睛，只有擁有犀利靈敏的眼睛，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這可謂是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。水質(zhì)取樣依托于傳感器的選用和布置。

對(duì)于傳感器的選擇，其基本要求就是要滿足能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量的要求。因此，傳感器首先應(yīng)具有高靈敏度，確保能感應(yīng)到水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機(jī)物含量、重金屬含量等對(duì)水質(zhì)有重大影響的指標(biāo)的變化，并且能及時(shí)的做出反應(yīng)。其次，考慮到該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的徐、柏二河的流域面大，為了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域不失一般性的需要，傳感器的部署點(diǎn)較廣、數(shù)量較多，而且傳感器的布置不應(yīng)影響徐、柏二河的正常生態(tài)情況，傳感器還應(yīng)滿足體積小、成本低的要求。最后，傳感器是自動(dòng)化中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其處于長(zhǎng)期無(wú)人看守和相對(duì)較惡劣的環(huán)境下，為了能保證長(zhǎng)久的生命周期和不受外界條件的干擾，傳感器必須具備性能穩(wěn)定和低功耗的要求。

對(duì)于傳感器的部署，考慮到不同物質(zhì)由于自身密度不同的原因，其隨水流流動(dòng)的速度不一樣，導(dǎo)致污染物等化合物隨水流深度的不同，各種需要被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的含量也不同。同時(shí)，由于水體內(nèi)浮游植物、陽(yáng)光、溫度等因素，不同深度的水中，諸如融氧、有機(jī)物含量等被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的濃度也會(huì)有一定的差異。因此，在建立傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，傳感器的布局十分關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)水體中不同深度都有傳感器的存在，我們可以通過(guò)將傳感器通過(guò)錨索固定在水底，每個(gè)傳感器上系一個(gè)浮標(biāo)，通過(guò)浮標(biāo)的浮力使傳感器節(jié)點(diǎn)懸浮在不同水深。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可分為三個(gè)部分。其一是基于傳感器的水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸；其二是匯聚節(jié)點(diǎn)與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸；其三是嵌入式網(wǎng)關(guān)與水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中的核心。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其使用協(xié)議簡(jiǎn)單，傳輸速率在20K字節(jié)/秒至250K字節(jié)，秒之間，其有效傳輸范圍為10-75m。

ZigBee技術(shù)所具有的這些特點(diǎn)契合了傳感器正常工作所需要的條件，解決了傳感器分布廣泛、易受環(huán)境干擾等帶來(lái)的問(wèn)題。通過(guò)ZigBee技術(shù)傳感器組成一個(gè)樹(shù)形通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)范圍得到了有利保障，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)也更易整合。

在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)分為兩類，第一類傳感器節(jié)點(diǎn)作為終端專職于采集、發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；第二類類傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧終端和路由器雙重功能，在采集、發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、融合等處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)第二類傳感器節(jié)點(diǎn)整合后再將發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)為整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)管理者，匯集處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由于匯聚節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)流量較大，ZigBee技術(shù)傳輸速度慢，且不適于遠(yuǎn)距離傳輸，故在數(shù)據(jù)傳輸途中設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet的協(xié)議轉(zhuǎn)換。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口獲得數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行封裝，通過(guò)Internet進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸至水質(zhì)綜合分析系統(tǒng)。

（3）水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀器等一系列相關(guān)資源的統(tǒng)一管理，形成高效集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，能對(duì)徐柏二河水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機(jī)物含量、重金屬含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合的水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。在與已有數(shù)據(jù)相比較的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)水質(zhì)的惡性變化發(fā)出預(yù)警信息，為相關(guān)人員制定應(yīng)急方案提供參考。系統(tǒng)運(yùn)行后，在獲得大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)資料進(jìn)行整編保存，以此作為以后水質(zhì)監(jiān)測(cè)綜合分析工作的指導(dǎo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)以往常采用現(xiàn)場(chǎng)采集水質(zhì)信息然后回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后期分析處理的方法，這種傳統(tǒng)的方法明顯存在采樣數(shù)量少，水質(zhì)監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法獲得水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)水質(zhì)突發(fā)惡性變化進(jìn)行預(yù)警等方面的不足。徐堰河、柏條河水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能充分利用系統(tǒng)各組成部分的優(yōu)勢(shì)，做到在水質(zhì)監(jiān)測(cè)區(qū)域廣采樣，及時(shí)為后方水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)傳輸水質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高對(duì)水質(zhì)污染等突發(fā)惡性情況的預(yù)警處理能力，并以此為成都市居民的用水安全提供保障。自動(dòng)化的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用不僅是在成都，在全國(guó)也是一項(xiàng)新的工程。在后期使用過(guò)程中，確保系統(tǒng)各部分正常運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)使用目標(biāo)，真正發(fā)揮該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的作用，這些都將為我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供參考，具有重要的意義。