基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的自來水有機(jī)污染在線傳感器研究

吳 俊，吳 平

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

0 引 言

城市管網(wǎng)自來水及管網(wǎng)二次供水系統(tǒng)易受外界環(huán)境的污染侵入，發(fā)生水質(zhì)惡化等事故，當(dāng)前的水質(zhì)污染大都反映在有機(jī)物污染（如苯系化合物）方面?，F(xiàn)階段監(jiān)管方式多采用人工巡查及人工采樣。這種監(jiān)察方式效率較低[1,2]，且對國內(nèi)較大城市來說，供水的輸配管網(wǎng)普遍具有多水源、多水廠、多節(jié)點(diǎn)、大管網(wǎng)、長距離等特征，點(diǎn)多面散，輸水管材陳舊，造成人工巡檢的被動性和延遲性，得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往嚴(yán)重滯后，缺乏科學(xué)性的指導(dǎo)。

物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展給水質(zhì)傳感器的研究指明了方向。本文針對城市中復(fù)雜的自來水管網(wǎng)，積極展開有機(jī)污染在線監(jiān)控傳感器的試驗(yàn)研究。研制了紫外吸收光度傳感器，并在線指示性監(jiān)控管網(wǎng)水質(zhì)痕量有機(jī)物總量。在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一些創(chuàng)新改造，加長了比色皿的光程長度（10 cm），有效提高了檢測靈敏度，取得了較好的試驗(yàn)效果。

1 紫外吸收光度法檢測水中有機(jī)物

1.1 替換汞燈的紫外光度法

世界各國針對自來水有機(jī)物的超標(biāo)問題，提出了指示性的耗氧量指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)，mg/L），并規(guī)定其含量不允許超過5 mg/L。但該指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測量比較麻煩，需要一些化學(xué)試劑及加熱處理。然而紫外吸收光度法是不需要任何試劑的物理檢測法。對于含微量苯系物污染的水樣，檢測靈敏度較高，效果也很好。因此，研究這種紫外吸收傳感器，對自來水的監(jiān)控是很適宜的。

然而，近幾十年來，國際上均采用汞燈進(jìn)行基礎(chǔ)的紫外檢測。汞燈產(chǎn)生的主要紫外光波長為254 nm，以此作為吸收光度的規(guī)范指標(biāo)值，簡稱UV（254 nm）。然而，汞燈的雜光較多，光源穩(wěn)定性差，線性檢測范圍窄，誤差大，很難采用汞燈檢測方式來研制傳感器。因此，紫外光源的選用成為關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 吸收光度檢測的實(shí)驗(yàn)定律（朗伯-比耳定律）

單色光對溶液特定組分濃度的光吸收現(xiàn)象構(gòu)成了著名的光吸收檢測定律：

式中：A為吸光值，a為吸收系數(shù)，b為光程長度，c為溶液濃度。式中的A值由光吸收實(shí)驗(yàn)測定得到。單色光入射一定光程的待測溶液，入射光強(qiáng)為I0，經(jīng)過溶液組分吸收后的透射光強(qiáng)為I，則A的計(jì)算公式為：A=lg（I0/I）。A的量值一般控制在0～1.5范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)測定某吸光值A(chǔ)，代入式（1）中，計(jì)算得到溶液組分濃度C。在待測溶液濃度很低（達(dá)到微量乃至痕量濃度），但又必須確保檢測靈敏精度的情況下，加大光程長度b（mm）成為不二之選。由式（1）可知，實(shí)驗(yàn)的吸收系數(shù)a是固定值，光程b是可變量。本課題的研究中，適當(dāng)加大吸收光程長度也是檢測水中痕量苯系有機(jī)物的重要措施。實(shí)驗(yàn)中，選用的光程b越小，測定的A值亦隨之變小；選用光程b增大，測定的A值亦會變大。為保證自來水吸光度A的測定精度，達(dá)到較高的檢測靈敏度，必須加大光程b。

2 紫外長光程光度傳感器的研究

2.1 流動自來水的在線傳感器

研究制造直徑為15 mm、長度為100 mm的玻璃管，作為流動水樣的光吸收池，玻璃管兩端采用石英圓片光學(xué)玻璃封口。玻璃管的兩端有進(jìn)水和出水的接口，且玻璃管必須放置在暗箱中，起到避光和加固作用。在玻璃管中，起加長光程作用的吸收池可將自來水水樣以流動方式進(jìn)行單色紫外光的吸收光度檢測。

單色紫外光源可選用低壓汞燈，也可選用紫外LED固體發(fā)光源。前者價(jià)格便宜，但須添加紫外濾光片，實(shí)驗(yàn)效果欠佳；后者價(jià)格昂貴，體積微小，光源穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果較好。本實(shí)驗(yàn)選用紫外波LED固體作為發(fā)光器件。光電傳感接收單元由進(jìn)口紫外感光光電池及弱電流放大器組合而成，信號輸出范圍為0～200 mV。自來水紫外長光程光度傳感器原理如圖1所示。

圖1 自來水紫外長光程光度傳感器原理

2.2 管網(wǎng)自來水有機(jī)污染在線傳感監(jiān)測

本設(shè)計(jì)研制的紫外傳感器可安裝在社區(qū)或高層建筑中，連續(xù)在線監(jiān)控管網(wǎng)二次供水水質(zhì)的有機(jī)污染，一旦遭遇突發(fā)災(zāi)難性污染，傳感器立即預(yù)報(bào)預(yù)警。紫外光采用汞燈或紫外LED作為基準(zhǔn)光源，其產(chǎn)生的單色紫外光波長為254 nm，因此對自來水水樣進(jìn)行吸收光度測量時(shí)，若水樣含有微量芳香烴類有機(jī)物（如殘留農(nóng)藥，木質(zhì)素，腐殖酸等），會在此波段出現(xiàn)吸收現(xiàn)象。因此將其部分替代耗氧量參數(shù)指標(biāo)（高錳酸鹽指數(shù)），以實(shí)現(xiàn)宏觀指示性的有機(jī)污染預(yù)報(bào)。由于該種無需試劑的紫外吸收傳感檢測手段設(shè)備裝置簡單，操作方便，易開展多點(diǎn)布局，適宜管網(wǎng)水質(zhì)的快速在線監(jiān)控。管網(wǎng)水質(zhì)有機(jī)污染在線傳感監(jiān)測示意如圖2所示。

圖2 管網(wǎng)水質(zhì)有機(jī)污染在線傳感監(jiān)測示意圖

雖然自來水水質(zhì)的高錳酸鹽指數(shù)和總有機(jī)碳（TOC）含量，也能反映水中有機(jī)物的總量狀況，但在采樣直至化學(xué)測試的全部過程中，測量這兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)操作繁瑣，同時(shí)還需要輔以化學(xué)試劑及復(fù)雜的加熱裝備。因此對上述兩個(gè)參數(shù)的測定，不適宜在管網(wǎng)中進(jìn)行在線監(jiān)測。

2.3 傳感器深紫外單色光

紫外吸收光度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是選用穩(wěn)定、可靠的紫外單色光源。長期以來，紫外光的選用往往將汞燈作為第一方案，汞燈的波長雖然以254 nm為主，但它仍有較多雜光產(chǎn)生，必須添加濾片除雜，但即使采用高級濾光片也無法達(dá)到檢測要求。近年來，國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展使固體發(fā)光器件LED邁向深紫外領(lǐng)域。但美日等國只能有限生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，每顆價(jià)格高達(dá)5 000元。因此該方面應(yīng)用的研發(fā)進(jìn)展仍較緩慢。目前，我國在深紫外LED的研究方面取得了突破性進(jìn)展，254 nm波長的LED供應(yīng)價(jià)格已降到300元左右，為本課題的傳感研究提供了便利，拓寬了應(yīng)用場景。經(jīng)驗(yàn)證，其發(fā)光效率較高，功耗較低，工作電流可達(dá)20 mA，器件壓降為7.5 V。相比汞燈（熱陰極，冷陰極），該光源更穩(wěn)定，優(yōu)勢明顯。

2.4 長光程紫外吸收傳感器

紫外吸收傳感器采用加長光程的方法，可實(shí)現(xiàn)提高檢測紫外吸收靈敏度的目的，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，效果較好。試驗(yàn)采集不同水樣測定微量有機(jī)物濃度。長光程紫外傳感器測試瓶裝礦泉水等水樣的吸光值，見表1所列。不同水樣的有機(jī)物傳感吸光值如圖3所示。

表1 長光程紫外傳感器測試瓶裝礦泉水等水樣的吸光值表

圖3 不同水樣的有機(jī)物傳感吸光值圖

3 自來水有機(jī)污染檢測研究

管網(wǎng)自來水二次供水水質(zhì)中含有的有害微量有機(jī)物大都是共軛有機(jī)物及芳香族有機(jī)物，它們來自土壤中的腐殖質(zhì)、木質(zhì)素、富里酸和殘留農(nóng)藥等。這些苯系物對紫外光（254 nm）均存在光吸收現(xiàn)象，吸收系數(shù)高，檢測效果較好。因此，紫外法是自來水指示性監(jiān)控的理想手段。此外，低于30 mg/L的耗氧量指標(biāo)無法進(jìn)行精確檢測，紫外法可以替代COD法檢測。紫外吸收光度測定水中苯系物濃度見表2所列。紫外（254 nm）吸收光度測定水中苯系物濃度如圖4所示。

表2 紫外吸收光度測定水中苯系物濃度表

4 管網(wǎng)自來水在線傳感數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸

管網(wǎng)自來水二次供水節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)監(jiān)測采集到的海量數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)GSM/GPRS的數(shù)據(jù)通信方式，遵循TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的小流量快節(jié)奏數(shù)據(jù)傳輸[3]。中心服務(wù)器開發(fā)的專用接收軟件再由相關(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行接收，并進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫[4]。在線水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示。

圖4 紫外（254 nm）吸收光度測定水中苯系物濃度圖

圖5 在線水質(zhì)監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸圖

采用C#語言編制的控制計(jì)算機(jī)接受傳感器的主要代碼如下（GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼從略）：

SPort sp1 = new SPort（“COM1”， 9600， Parity.None， 8，

StopBits.One）；

sp1.Open（）；

byte[] t1 = new byte[4] { 0x23， 0x30， 0x31， 0x0D }；

double[，] data = new double[10， 10]；

double[] avgtemp = new double[10]；

double sum = 0.0；

string temp；

progressBar1.Value = 0；

for （int i = 0； i ＜ 10； i++）

{sum = 0.0；

for （int j = 0； j ＜ 10； j++）

{temp = “”；

sp1.Send（t1）；

Thread.Sleep（100）；

temp = sp1.Recieve（50）；

temp = temp.Trim（‘＞’）；

data[i， j] = Convert.ToDouble（temp）；

sum = sum + data[i， j]；

this.progressBar1.Value += 1；}

avgtemp[i] = sum / 10.0；}

sp1.Close（）；

sum = 0.0；

for （int i = 0； i ＜ 10； i++）{sum = sum + avgtemp[i]；}sum /= 10.0；

textBox1.Text = sum.ToString（）；

5 結(jié) 語

管網(wǎng)自來水的二次供水水質(zhì)經(jīng)常會受到惡劣環(huán)境的影響，造成局部區(qū)域有機(jī)污染，因此需要進(jìn)行必要的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文研究介紹的紫外吸收光度傳感器基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠監(jiān)測水中微量有機(jī)物濃度，替代耗氧量指示性指標(biāo) （高錳酸鉀指數(shù)）。袖珍微型傳感器無需化學(xué)試劑，制作成本較低，安裝方便，能夠?qū)ν话l(fā)的重大有機(jī)污染及時(shí)進(jìn)行分級網(wǎng)絡(luò)預(yù)警，滿足設(shè)計(jì)要求。

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