基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)探討

古正光

基于民眾生活水平的持續(xù)提升，對飲用水的需求量呈現(xiàn)出逐年增高的態(tài)勢，但是受到生活污染、工業(yè)生產(chǎn)等因素的影響，使得飲用水源水質(zhì)受到不同程度的污染?？v觀現(xiàn)階段我國水源水質(zhì)監(jiān)測工作的開展，其中涉及諸多部門與環(huán)節(jié)，在水源水質(zhì)監(jiān)測過程中針對污染問題難以做到第一時間進行反饋和采取措施解決。并且我國近幾年對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建逐漸加大資金投入力度，但是其監(jiān)測效果仍無法滿足實際需求。究其成因，在于目前大部分監(jiān)測站只能做到對常規(guī)參數(shù)的監(jiān)測，如溶解氧、濁度、水溫等，針對有機污染物的監(jiān)測能力有待提升。對此，需依據(jù)對現(xiàn)階段水源水質(zhì)情況的分析，進行水源水質(zhì)監(jiān)測平臺的創(chuàng)新，以期為水源監(jiān)測工作的高質(zhì)量開展打下基礎(chǔ)。

一、功能需求分析

水源水質(zhì)監(jiān)測通常情況下可以具體分為生物毒性監(jiān)測與理化監(jiān)測，不同監(jiān)測項目的優(yōu)缺點不同。針對理化監(jiān)測而言，其優(yōu)勢特點體現(xiàn)為指標(biāo)監(jiān)測重復(fù)性良好、指標(biāo)監(jiān)測客觀性強，其劣勢體現(xiàn)為存在較高漏報率、指標(biāo)少等。針對生物毒性監(jiān)測而言，其優(yōu)勢體現(xiàn)為綜合性強、毒物作用的綜合體現(xiàn)、光譜性強，其劣勢體現(xiàn)為誤報率高、抗干擾能力低等。對此，實現(xiàn)對水源水質(zhì)的全面且客觀的監(jiān)測，可通過對生物毒性與理化監(jiān)測的聯(lián)合開展，以優(yōu)勢互補的形式來提升水源水質(zhì)監(jiān)測的全面性與準(zhǔn)確性。

依據(jù)對現(xiàn)階段水源水質(zhì)監(jiān)測開展現(xiàn)狀的分析，確定本研究所構(gòu)建的水源水質(zhì)監(jiān)測平臺需要具備以下功能：

1.監(jiān)測對象

進行監(jiān)測對象的拓展，除常規(guī)的水溫、pH值、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧監(jiān)測參數(shù)之外，進行蚤生物毒性、紫外線吸收、斑馬魚生物毒性指標(biāo)監(jiān)測的拓展，實現(xiàn)對水源水質(zhì)監(jiān)測對象的豐富。

2.監(jiān)測時效性

以間斷運行方式進行浮標(biāo)運行的控制，將浮標(biāo)運行與休眠時間比例控制在1:11，即在實際運行過程中，針對相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的采集以30min為間隔。

3.數(shù)據(jù)處理

針對不同水質(zhì)參數(shù)的處理，服務(wù)器在接收水質(zhì)數(shù)據(jù)時以GPRS無線通訊模塊為載體，并通過云計算平臺來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的融合、計算、分析。數(shù)據(jù)處理平臺涉及對數(shù)據(jù)資源庫的構(gòu)建，并依據(jù)對采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用構(gòu)建預(yù)測模型，運行期間以標(biāo)準(zhǔn)值為參照進行采集數(shù)據(jù)的比對與分析，在超出規(guī)定值后第一時間預(yù)警。同時，相關(guān)管理人員可利用移動終端進行水質(zhì)參數(shù)信息的獲取，通過觀察水質(zhì)變化曲線圖來實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)變化的掌握，做到對水源水質(zhì)變化情況的直觀化分析。

二、監(jiān)測系統(tǒng)框架構(gòu)成

1.系統(tǒng)架構(gòu)

針對水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，其具體劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其中應(yīng)用層囊括預(yù)測模型、預(yù)警模塊、手機客戶端模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊；網(wǎng)絡(luò)層囊括服務(wù)器、無線通訊模塊、云計算平臺，云計算平臺可支持對采集數(shù)據(jù)的融合、分析以及計算；感知層則主要是依托于傳感器設(shè)備的應(yīng)用來實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的采集。

2.關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)平臺所采用的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）太陽能供電技術(shù)

太陽能供電模塊的組成具體包括智能控制器、電池板以及鉛酸電池等。功能方面實現(xiàn)對過充、過防情況的保護，并支持對過載、電子短路等問題的保護功能。同時，為實現(xiàn)對太陽能供電效果的提升，在低壓提升電路方面進行深度研發(fā)，并依據(jù)監(jiān)測平臺運行需求的分析，進行鉛酸電池充電時段的擴充，且在連續(xù)陰雨的情況條件下，鉛酸電池可維持連續(xù)8d的工作時間。若系統(tǒng)運行期間連續(xù)陰雨天氣維持超過8d，則可以借助智能供電技術(shù)來維持傳感器等設(shè)備的正常運行，避免水源水質(zhì)監(jiān)測受到陰雨天氣的影響。

（2）自動檢測設(shè)備

該監(jiān)測涉及8種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測，其中針對水溫、pH值、溶解氧等參數(shù)的監(jiān)測采用國產(chǎn)品牌，在保證其參數(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確性的前提下，進一步降低水源水質(zhì)監(jiān)測成本。以雷磁牌傳感器為例，生產(chǎn)企業(yè)為上海儀電科學(xué)儀器股份公司，針對不同水質(zhì)參數(shù)選擇DO-975、DJS-1C、pH電極等型號。

針對濁度與紫外線吸收的測量，則涉及對光學(xué)傳感儀器的使用，可采用集監(jiān)測濁度與紫外線吸收功能為一體的傳感器設(shè)備。在實際水源水質(zhì)監(jiān)測過程中，按照相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進行紅光、綠光、藍光以及紫外光源的依次開啟。需注意，不同光源的參數(shù)不同，分別為635nm、520nm、470nm、254nm。而針對濁度與紫外線吸收的計算，則需以90°散射光強、不同光源波長為依據(jù)進行合理計算。

針對斑馬魚毒性參數(shù)的檢測，其監(jiān)測裝置的設(shè)計以斑馬魚生性為依據(jù)，將白光照明燈設(shè)置于監(jiān)測裝置上，以此用作對自然光的模擬，然后將LED發(fā)光二極管設(shè)置于裝置前側(cè)中部位置，將光敏二極管設(shè)置于裝置后側(cè)面中部位置，并使二者形成水平方向的光柵欄，運行期間光柵欄在斑馬魚游行經(jīng)過時會自動運行，利用高電平生成脈沖，而脈沖數(shù)只可以被單片機進行采集，監(jiān)測中心接收來自傳感器的數(shù)據(jù)信息后進行存儲、分析以及計算，判斷斑馬魚是否呈現(xiàn)出中毒加深的情況。

針對蚤生物毒性監(jiān)測而言，在監(jiān)測裝置設(shè)計時主要利用生物趨光性的原理，將LED白光照明燈設(shè)置于裝置的上下兩側(cè)，并將LED發(fā)光二極管設(shè)置于裝置前后兩側(cè)，進而形成水平方向的兩道光柵欄，運行期間大型蚤會受到白光的吸引來游動，然后打開上部白光照明來吸引大型蚤向上游動，利用單片機進行游動次數(shù)的檢測，通過判斷大型蚤穿越光柵欄次數(shù)來確定中毒癥狀。

（3）客戶端服務(wù)與服務(wù)器交互

為實現(xiàn)對GET、POST請求的滿足，將API接口設(shè)置于服務(wù)器一側(cè)，以JSON為主進行返回數(shù)據(jù)格式的設(shè)置，采用業(yè)務(wù)邏輯進行平臺業(yè)務(wù)層的控制，各層調(diào)度請求的控制以返回規(guī)格數(shù)據(jù)的處理為基準(zhǔn)。為確保其數(shù)據(jù)不存在丟失、篡改等現(xiàn)象，采用MD5參數(shù)簽名進行請求參數(shù)的傳遞。針對數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，則以MySQL為基礎(chǔ)。平臺功能體現(xiàn)為：①對不同參數(shù)信息數(shù)據(jù)的實時獲??；②登錄驗證；③選7d內(nèi)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)獲取，其中參數(shù)波動情況會以折線圖進行體現(xiàn)；④分頁取數(shù)。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

將該系統(tǒng)平臺應(yīng)用于水源水質(zhì)監(jiān)測中，浮標(biāo)在單片機的控制下實現(xiàn)定期進行水質(zhì)參數(shù)的采集，然后利用GPRS模塊進行水質(zhì)參數(shù)信息的傳遞，服務(wù)器在接收相關(guān)參數(shù)信息后借助云計算平臺完成對數(shù)據(jù)信息的融合與處理，依托于處理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)測模型，以模型為基準(zhǔn)進行不同指標(biāo)參數(shù)的分析與比對，用戶可通過遠程控制的方式進行水質(zhì)曲線圖的獲取，進而實現(xiàn)對水源水質(zhì)情況的遠程獲取，并準(zhǔn)確掌握不同指標(biāo)參數(shù)的變化情況。

四、結(jié)束語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建，充分利用傳感器、通訊、云計算、GPRS、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)對相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的實時采集，在提升水源水質(zhì)監(jiān)測范圍的同時，進一步提升水源水質(zhì)監(jiān)測的客觀性與準(zhǔn)確性，并做到對水源水質(zhì)參數(shù)信息的遠程獲取與判斷。