無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用研究

江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 龍家豪 向 青 錢同惠

水質(zhì)監(jiān)測是科研工作人員進行水質(zhì)管理和治理時的一項基礎(chǔ)與必要工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式效率較低，人工成本較高，并且在復(fù)雜的水域中，監(jiān)測人員的安全存在隱患。本文著重對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測方法的研究成果進行了分析與歸類，綜合考慮了各種研究方法的主要研究成果和主要特點，并分析其主要存在的問題，最后對無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的未來發(fā)展進行了展望。

縱觀國家的工業(yè)發(fā)展歷程，由于對于經(jīng)濟發(fā)展的需求，我國在現(xiàn)階段內(nèi)進行的是以犧牲社會環(huán)境為代價的工業(yè)化進程，也正因為如此，直接導(dǎo)致生活環(huán)境趨于惡性走向。20世紀初期，國家領(lǐng)導(dǎo)人就環(huán)境污染完成的社會問題發(fā)表講話，強調(diào)了金山銀山和綠水青山的本位問題，而綠水，就指的是水資源。水資源在人的發(fā)展和生存中占據(jù)重要地位。但由于過多的排污需求，使得水的自凈效率顯得很緩慢，因此人工干預(yù)是必然的趨勢和要求，我們應(yīng)該有效緩解水污染問題，積極響應(yīng)“長江大保護”的號召。

進行水質(zhì)監(jiān)測，需確保采樣工作規(guī)范、合理。若采樣頻次、方式有問題，亦或采樣點位的布設(shè)缺乏合理性，便會導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在偏差。水樣采集完畢后必須盡快送到實驗室進行各種項目的分析，因此應(yīng)保持良好的室內(nèi)環(huán)境，以免對水樣的分析過程和結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。這整個過程中，最貼近的數(shù)據(jù)獲取，離不開標準的操作方式。因此，為了數(shù)據(jù)的有效性，對操作人員的專業(yè)性和實驗環(huán)境的要求就比較嚴格。此外，在實驗過程中，也需要謹慎。采點取樣不合理，樣品含有雜質(zhì)，試劑的純度等錯誤行為都會影響實驗分析在部分水流湍急或者極端環(huán)境下，人工水質(zhì)監(jiān)測存在極大的風險。研究人員為解決上述水質(zhì)監(jiān)測中存在的問題做了許多研究，本文在解讀水質(zhì)監(jiān)測指標標準的前提下，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測的研究現(xiàn)狀進行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)檢測未來發(fā)展的潛力和趨勢。

1 水質(zhì)監(jiān)測指標

各地區(qū)應(yīng)對地下水水質(zhì)進行定期檢測，檢驗方法按照國家標準GB 5750《生活飲用水標準檢驗方法》執(zhí)行，監(jiān)測項目為：pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氰化物、砷、汞、鉻(六價)、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、大腸菌群，以及反映本地區(qū)主要水質(zhì)問題的其它項目。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測水質(zhì)方法研究

在水質(zhì)監(jiān)測研究當中，應(yīng)用最早的是傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測，通常我們可以使用物理指標監(jiān)測儀器，比如說測定水濁度的濁度儀，測定色度所用的濾光光度計，測定電導(dǎo)率用的電導(dǎo)率儀等，還有多功能集成型的水質(zhì)監(jiān)測儀可以同時測定包括總氮在內(nèi)的多項物理指標的效果。目前水質(zhì)監(jiān)測研究主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、生物監(jiān)測、遙感監(jiān)測技術(shù)等。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，很多智能監(jiān)測研究都已經(jīng)得到推廣，并且在特定的水質(zhì)環(huán)境下都有很卓越的監(jiān)測效果。

在傳統(tǒng)的理化監(jiān)測當中，監(jiān)測指標過于單一，存在主觀性，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法具有智能化程度高，檢測周期短、應(yīng)用領(lǐng)域廣，可靠性高等特點。于淑寧等采用外接接口單極接線模式構(gòu)建了一種自來水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，這種連接方式傳輸信號的穩(wěn)定性極強，缺點是占地空間比較大。次世青等基于Zigbee技術(shù)提出了用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測傳感器節(jié)點的設(shè)計方法，通過每個傳感器模塊獲取水環(huán)境額數(shù)據(jù)，利用Zigbee協(xié)議將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到聚合節(jié)點，并且提出了基于蟻群算法的改進型LEACH算法，通過該算法建立的路由，能夠有效地降低整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)在信號發(fā)送和接受時的能耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。針對水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)能耗高、續(xù)航短的問題，周浩東等設(shè)計了一種基于Zigbee和GPRS的節(jié)能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路之間增加一個門芯片ADG1414或使用低功耗器件來控制每個模塊的頻率的分配，減小了系統(tǒng)的耦合性，減少每個模塊的上電時間，降低了硬件的能耗。對收集的數(shù)據(jù)進行分析評估，并且可以人為設(shè)置閾值，自動過濾到閾值外的數(shù)據(jù)，這不僅減少了系統(tǒng)傳輸?shù)墓ぷ髁?，還增強了系統(tǒng)的續(xù)航能力。Sergio Diaz等設(shè)計并搭建了一個包括電源管理、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測站，并且將太陽能采集模塊當作可持續(xù)能源。張曉玲設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)考慮到穩(wěn)定性與持久性，采用了低功耗設(shè)計，能夠?qū)χ付ㄋ蜻M行連續(xù)在線監(jiān)測、并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程控制端，對數(shù)據(jù)進行了存儲，并且可以對其進行分析。Faustine Anthony等提出了一種用于LVB中水質(zhì)監(jiān)測的水傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)原型。在開發(fā)之前，對主要環(huán)境進行了評估，包括行動地點蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可用性，該系統(tǒng)由Arduino微控制器、水質(zhì)傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)模塊組成。Sempere Paya Victor M等為城市污水管網(wǎng)設(shè)計了一個水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個實時監(jiān)測水質(zhì)圖像和測量水位的移動系統(tǒng)和一個用于處理水質(zhì)質(zhì)量超標和水位超過閾值的緊急情況的智能平臺構(gòu)成，以及采用特定協(xié)議和工具設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)充分利用了水循環(huán)，最大限度地減少人為錯誤的可能性，并提高測量的頻率和準確性。代將來等人設(shè)計了一種LoRa無線通信協(xié)議，同時運用地址過濾技術(shù)設(shè)計了一種預(yù)防通信沖突的方案，基于此研究和方案設(shè)計了一種遠程監(jiān)控和管理水質(zhì)狀況的系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的的LoRa射頻模塊從遠程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至后端服務(wù)器，這大大增強了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。顏波等提出了一種基于RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，包括監(jiān)測節(jié)點、融合節(jié)點電源系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)，將RFID讀寫器連接到電子RFID標簽網(wǎng)絡(luò)并且存儲了監(jiān)測節(jié)點的編號和位置信息，從而提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率。

綜上所述，在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)來建立連接，可以有效地降低信號發(fā)送和接受的能耗，并且可以延長整個系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)耗能大、穩(wěn)定性差、并且需要大量人力維護的問題。

3 結(jié)語與展望

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法是理化水質(zhì)監(jiān)測，往往存在效率低、工作量大等弊端，并且難以適用于復(fù)雜的水域環(huán)境。無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中最大限度地利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了從水質(zhì)傳感節(jié)點到水質(zhì)監(jiān)測中心的無線數(shù)據(jù)傳輸，解決了現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式所帶來的弊端，并極大地提髙了工作效率、降低了人工成本。所以利用無線傳感網(wǎng)咯能夠完整、實時的進行數(shù)據(jù)傳輸、處理和管理，從而建立完善的水資源數(shù)據(jù)管理體系，方便水資源管理人員或科研人員的分析、決策和管理。同時無線傳感網(wǎng)絡(luò)可在人工難以取樣的復(fù)雜水域環(huán)境，提高監(jiān)測的安全性，進行高效率的水質(zhì)采樣以及實時監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。