自動化監(jiān)測技術(shù)在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用與研究

蘭 翔

(四川省阿壩生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 阿壩州 624000)

隨著社會的不斷進步，工業(yè)也在不斷發(fā)展，雖然人民的生活日益變好，但是這個過程卻是以生態(tài)環(huán)境的改變?yōu)榇鷥r的[1]。在生態(tài)中，水作除了孕育出地球上一切的生命以外，還是生命賴以生存的本源。所以對于人類而言，健康的水質(zhì)對于身心健康尤其重要，要做到對于水質(zhì)的精準把控。作為一門綜合度高、應(yīng)用面廣的科學(xué)技術(shù)，自動化技術(shù)在各行各業(yè)上有著不可估量的廣闊前景。所以在將自動化技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)檢測是十分有益的一項重要手段，對于建設(shè)國家的環(huán)境監(jiān)測體系和環(huán)境預(yù)警體系都是非常重要的技術(shù)。對于水體保護的力度逐漸加大，水質(zhì)自動化監(jiān)測系統(tǒng)工程的數(shù)量也得到了進一步的提升[2]。

1 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)

1.1 我國水質(zhì)自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

我國水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于地表水監(jiān)測、工業(yè)廢水排放監(jiān)測等。其中對于地表水的監(jiān)測主要開始于20世紀90年代末，通過在不同地區(qū)的不同位點進行樣品采集監(jiān)測地表水的質(zhì)量和污染程度，管理水體以及預(yù)防和控制水污染的發(fā)生[3-5]。秉持著綠水青山就是金山銀山的根本，我國也在水體治理、水資源保護上越來越嚴格，在各大水環(huán)境附近建起了監(jiān)測站并且推廣甚遠。在工業(yè)廢水監(jiān)測站建立初期主要是私營為主，由于資金有限且要控制成本的原因，導(dǎo)致了監(jiān)測工業(yè)廢水的技術(shù)有限，手段單一，規(guī)模較小，穩(wěn)定性差且檢出量少，這些結(jié)果都使得初期建立的水質(zhì)檢測不能滿足我國的復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境和繁復(fù)多樣的水質(zhì)污染。而科技的進步造就了大批量檢測儀器廠家的出現(xiàn)，其中不乏具有自我研發(fā)實力的企業(yè)，其生產(chǎn)的水質(zhì)檢測儀如圖1所示。

圖1 水質(zhì)檢測儀

1.2 水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)需求

(1)合理協(xié)調(diào)建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測站。以前有采取以人工記錄方式為主的檢測模式，但由于人工的數(shù)字記錄一方面不易將記錄結(jié)果輸入計算機，另一方面需要處理的數(shù)據(jù)依靠人工進行定性定量判斷，費時并且容易出錯，而不穩(wěn)定的記錄結(jié)果并不能滿足當(dāng)代社會的水資源監(jiān)測[6]。所以自動化監(jiān)測是勢在必行的一種方式。但由于一方面水質(zhì)自動化監(jiān)測涉及到水利工程、水處理工程、水質(zhì)分析、儀器儀表使用、自動化智能、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳播手段，是一門交叉的學(xué)科，跨專業(yè)系統(tǒng)工程。并且在具體施工建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測站時還需要考慮到土地，水務(wù)等多個需規(guī)劃因素，這就使得建設(shè)水質(zhì)自動化監(jiān)測需要合理規(guī)劃，跟工作協(xié)調(diào)具體的施工建設(shè)過從而有效施工。因此，成立相關(guān)建設(shè)小組，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況協(xié)調(diào)工作，解決可能存在的建設(shè)問題以及保障建設(shè)工作可以如期進行[7]。建立水質(zhì)自動監(jiān)測站的目的在于解放勞動力并且高速有效的記錄水質(zhì)數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需要對檢測儀的結(jié)構(gòu)、靈敏度有相當(dāng)高的技術(shù)支撐。由于監(jiān)測系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)都和與其相連的環(huán)節(jié)相互匹配，當(dāng)其中某一部分壞損時，會導(dǎo)致整個監(jiān)測系統(tǒng)陷入停滯的狀態(tài)，不能正常運行。為了能夠長期穩(wěn)定地進行水質(zhì)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸，需要建立可靠的水質(zhì)檢測位點，并且妥善進行后續(xù)關(guān)于系統(tǒng)安裝、建設(shè)、調(diào)試、運行、維護等環(huán)節(jié)，更要設(shè)計合理，保證施工，才能從源頭上避免自動監(jiān)測系統(tǒng)的“停擺”。當(dāng)然自動監(jiān)測并不是完全放棄人力，我們還需要對對口的技術(shù)人員進行進一步的技術(shù)培訓(xùn)呢，使他們熟練掌握儀器，系統(tǒng)及軟件的操作和應(yīng)用，并學(xué)會操作儀器簡單的維修，以防止出現(xiàn)突發(fā)狀況，所以嚴謹科學(xué)的管理手段，可以使得自動監(jiān)測系統(tǒng)達到長期穩(wěn)定[8-9]。

(2)合理建立水質(zhì)自動監(jiān)測站房。水質(zhì)監(jiān)測中所用到的站房是用以裝備系統(tǒng)儀器、設(shè)備的建筑主體和外部保障。建設(shè)需遵循《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022)，《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，《建筑設(shè)計負載規(guī)范》(GB 50009—2001)，《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》(GB 50046—1995)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)，《安全規(guī)范工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50348—2004)，《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50357—94)，《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。除此之外，自動監(jiān)測站房所選取的位置地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地勢平坦，具有四通一平的條件；同時，書UI至自動監(jiān)測站采水位點不易被環(huán)境腐蝕，能裝配不同采水方式的施工和安裝。站房還需要按需分割為不同的空間，如設(shè)備放置區(qū)域、監(jiān)測人員生活區(qū)域、質(zhì)檢區(qū)域[10]。

(3)合理建設(shè)自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理平臺。要想做到對某片水域進行水質(zhì)的全面監(jiān)測，水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)需要幾十甚至幾百個自動水質(zhì)監(jiān)測站[11-12]。而在監(jiān)測的過程中，會產(chǎn)生大批量實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳至計算機，所以提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化率十分重要，也借此提高自動監(jiān)測的力度?？萍歼M步與自動化在各行各業(yè)的推廣，自動化技術(shù)的運行使得人力從大量繁雜的數(shù)據(jù)處理中釋放，再對各個點位所收集的實時數(shù)據(jù)進行精準處理，從而將處理結(jié)果上報給有關(guān)部門，使得水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)嚴格按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)執(zhí)行，并對每項監(jiān)測結(jié)果定出相應(yīng)的水質(zhì)類別[13]。水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用廣泛，在水利、環(huán)保等行業(yè)起著至關(guān)重要的作用，水質(zhì)監(jiān)測站從各點位采取數(shù)據(jù)的頻率一般為 4 h/次，0：00、4：00、8：00、12：00、16：00、20：00、24：00整點啟動監(jiān)測，通過網(wǎng)絡(luò)用VPN進行數(shù)據(jù)發(fā)布，一天則可以得到6次監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測頻率可以通過具體情況如已被污染水域等進行具體調(diào)節(jié)，提高監(jiān)測頻率，從而增加監(jiān)測結(jié)果精準應(yīng)對污染問題。水質(zhì)監(jiān)測站的基本構(gòu)成為監(jiān)測中心和子站，以1∶1進行分配。子站主要職能為收集數(shù)據(jù)即通過自主站所在水域水質(zhì)的水中溶氧率、pH值、渾濁度、水溫、水位、重金屬離子、有機污染物等基本參數(shù)，也可以根據(jù)實際情況來增加監(jiān)測參數(shù)，從而達到精準監(jiān)測，在收集完數(shù)據(jù)之后，所得的數(shù)字信息會流向中心站進行分析。目前，比較常見的水站工作流程為首先在各采樣位點由采樣泵進行采樣，再通過特定管道傳輸，管道連接數(shù)值分析儀，在水質(zhì)分析儀進行所需的項目分析后，由水質(zhì)分析儀提供分析結(jié)果，并將所分析結(jié)果實時儲存并向上一級中心站傳播[14]。

2 自動化監(jiān)測水質(zhì)設(shè)計

自動化監(jiān)測水質(zhì)的原理在于集合監(jiān)測中心、信號中繼站及若干監(jiān)測室等部分的功能進行水質(zhì)監(jiān)測。監(jiān)測中心起指揮、控制和處理數(shù)據(jù)的作用，通過PLC來協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整個過程，信號中繼站可起到將信號再生、放大，從而使得傳輸?shù)男盘柋３仲|(zhì)量(圖2)。

2.1 水質(zhì)自動化監(jiān)測站硬件設(shè)計

設(shè)計好硬件設(shè)計對于自動化監(jiān)測和自動標定至關(guān)重要。一般情況下，將單片機設(shè)計為直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機，可以作為數(shù)據(jù)采集的中心，與此同時，還可以通過設(shè)計單片機和外圍電路來進一步影響測量數(shù)據(jù)的精確程度，擬從主控模板設(shè)計、傳感器設(shè)計、GPRS模塊設(shè)計、人機交互系統(tǒng)設(shè)計作為硬件的設(shè)計內(nèi)容(圖3)。

2.1.1 主控模板設(shè)計

主控模板由單片機作為CPU，再由系統(tǒng)電路輔助工作。選用單片機作為下位機是因為單片機是整個水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的核心，對其選擇需要考慮其準確性和精確性等參數(shù)，才能滿足數(shù)據(jù)采集時的需求。一般來說，由于自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜，I/O數(shù)量不是很多，所以可以采用精簡指令集的單片機。這種單片機在讀取指令和數(shù)據(jù)時分開進行，因此單片機速度不是很高，可以選用SONIX單片機或者PIC系列單片機。

2.1.2 傳感器設(shè)計

由于對于監(jiān)測的需求不同，所以設(shè)計和安裝的傳感器也不同。溫度傳感器作為測量水質(zhì)溫度的重要來源，除了提供本身溫度的數(shù)據(jù)之外，還可以作為pH值和溶氧量的支撐數(shù)據(jù)。在選擇溫度傳感器時，擬選用數(shù)字溫度傳感器，其將敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換單元、存儲器等集成在一個芯片上，最重要的是可以直接輸出被測溫度的數(shù)字信號，對于自動化監(jiān)測系統(tǒng)上會達到使用方便的目的。pH傳感器作為高智能化在線連續(xù)測量pH值的重要元件，可以監(jiān)測水體中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號。由傳感器和二次表兩部分組成。在水質(zhì)自動化監(jiān)測中，為滿足系統(tǒng)對于pH測量的精確性，一般采用pH復(fù)合電極的傳感器，再通過配三復(fù)合或者兩復(fù)合電極從而滿足不同精度。溶氧量傳感器用以測量空氣中的分子氧溶解在水中的程度，目前常用于設(shè)計溶氧傳感器的原理分別為碘量法、極普式電流法。在選擇溶氧傳感器時，擬采用具有采用模塊化設(shè)計、應(yīng)用廣泛、提供簡單的測量和報警功能、擴展功能軟件和硬件模塊化后可以應(yīng)用于特殊的場合，如果需要，可使用擴展模塊等優(yōu)點的元件。

2.1.3 GPRS模塊設(shè)計

在監(jiān)測過程中，需對各個監(jiān)測點位進行實時監(jiān)控，而在監(jiān)測后形成的數(shù)字信息發(fā)送至管理中心并做到處理并儲存，而監(jiān)測位點分散、分布地廣會導(dǎo)致大部分裝置在環(huán)境惡劣的自動監(jiān)測站所收集的數(shù)據(jù)通過電話線傳輸并不能達到理想的效果，所以GPRS作為一個現(xiàn)階段完美的替代品出現(xiàn)在自動水質(zhì)監(jiān)測中，GPRS是一種無限分組業(yè)務(wù)，它是基于GSM系統(tǒng)和無線分組交換技術(shù)而成生的技術(shù)，可以提供端到端、廣域的、無線的IP連接。GSM的撥號方式是電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，而GPRS是分組交換技術(shù)，所以GPRS相對GSM而言是一種可以實現(xiàn)實時在線傳輸。按照流量計費，可以快捷登錄，最重要的是可以高效傳輸?？傮w而言GPRS是一個高速的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以分組的形式將處理的數(shù)據(jù)傳輸給需要數(shù)據(jù)的客戶。而在監(jiān)測儀器處理完水質(zhì)結(jié)果后，數(shù)據(jù)通過GPRS進行無線的網(wǎng)絡(luò)傳輸，進而將污染數(shù)據(jù)和警報信息及時反饋給相關(guān)部門，實現(xiàn)治理污染的部門制定相關(guān)處理策略，大大提高水質(zhì)部門的工作效率。GPRS 因其實時在線，系統(tǒng)不存在流量延遲，可以同時接收并處理多個實施監(jiān)測的數(shù)字信息，所以很好地滿足了系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)實時性的要求。同時由于GPRS的存在，工作人員可以對各個監(jiān)測位點的儀器進行開關(guān)，報告狀態(tài)等遠程操控。目前由于自動化的推廣，GSM/GPRS已經(jīng)在大部分包括偏遠山區(qū)已經(jīng)達到覆蓋，所以盡管是偏遠地區(qū)的水質(zhì)問題也可以得到實時監(jiān)測，不存在盲區(qū)[15-17]。GPRS為主的自動化監(jiān)測水質(zhì)系統(tǒng)的優(yōu)點還有數(shù)據(jù)傳輸量大、花費小等。每次每個水質(zhì)信息采集點的數(shù)據(jù)傳輸量需求大約為10 kb/s 。而GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送速率在最優(yōu)時可達171.2 kbit/s，并且GPRS 實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40 kb/s左右，所以GPRS應(yīng)用于水質(zhì)自動監(jiān)測是完全符合需求的(圖4)。

圖4 GPRS運作

GTM900C模塊由于具有可以實現(xiàn)無線發(fā)送與接收、基帶處理、音頻處理、能耗小、價格適宜，與此同時支持EGSM900/GSM1800雙頻段、 PPP協(xié)議等優(yōu)點，可以作為自動化監(jiān)測水質(zhì)系統(tǒng)的GPRS模塊的選擇。

2.1.4 人機交互系統(tǒng)設(shè)計

人機交互即用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。選擇和設(shè)計前臺人機交互界面非常影響用戶體驗，擬在人機交互界面加類似pH，溶氧等水質(zhì)參數(shù)作為顯示模塊，通過使用觸摸屏產(chǎn)生信號來控制個子系統(tǒng)的工作。

2.2 水質(zhì)自動化監(jiān)測技術(shù)軟件設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng)是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的的重要組成本部分。自動化應(yīng)用于水質(zhì)自動監(jiān)測信息系統(tǒng)是一個非常重要的課題，而上面討論了水質(zhì)自動化監(jiān)測系統(tǒng)所需要的硬件設(shè)計內(nèi)容，監(jiān)測控制軟件作為服務(wù)硬件的內(nèi)容，更是作為整個監(jiān)控的系統(tǒng)的一個不可缺少的一部分，整體軟件設(shè)計質(zhì)量直接與整個自動化系統(tǒng)的實施與管理利害相關(guān)。而在設(shè)計軟件系統(tǒng)時的需求在于功能完善，運行穩(wěn)定，安全可靠，配置靈活，可適配性強，并且方便擴充。雖然系統(tǒng)的硬件設(shè)施更新有可能會影響使用名單基本機構(gòu)和已經(jīng)實現(xiàn)的功能并不會改變。通過無線GPRS接入Internet的方式將應(yīng)用層、控制軟件層與各層之間相交連，在中心南站設(shè)有一個FTP服務(wù)器，該服務(wù)器主要用于接收實時的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，中心站通過各自動化監(jiān)測站上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)由通信設(shè)備接Internet后由FTP服務(wù)器通過Socket編程實現(xiàn)通信。在編程語言的選擇上可以選用專門為.NET的語言即Visual C#.NET，因為其是一個覆蓋Windows客戶和Web通用，技術(shù)角度上，平臺技術(shù)是跨平臺跨語言的面向?qū)ο蟮幕诮M件的二進制標準的軟件平臺，并且是繼承優(yōu)秀、擯棄歧義；語言高效但又保持功能強大，既有學(xué)院派的嚴謹語法，又有工業(yè)需要的強大和簡潔。

(1)系統(tǒng)主程序設(shè)計。自動化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定的程序通過控制單片機使整個系統(tǒng)按照預(yù)留程序步驟運行，而整個系統(tǒng)中包含有主程序(負責(zé)整個系統(tǒng)運行、調(diào)度)；子程序(負責(zé)運行主程序中的子單元)；中斷程序(可以中斷系統(tǒng))3部分。主程序在完成數(shù)據(jù)參數(shù)初始化以后，通過統(tǒng)籌調(diào)度子程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)衡算、數(shù)據(jù)傳輸、泵控制、管道清理等功能，而在運行過程中啟用中斷程序時，系統(tǒng)會保留當(dāng)時實施情況，待重啟后，主程序會回到終端前狀態(tài)并繼續(xù)運行。

(2)系統(tǒng)子程序設(shè)計。設(shè)計數(shù)據(jù)采集的子程序，需要考慮到是否可以將水質(zhì)傳感器的電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因為A/D轉(zhuǎn)換按固定的時間節(jié)點對模擬信號取樣，根據(jù)取得的樣本大小，再參比既定的標準或算法計算出pH值，溫度，溶氧量等水質(zhì)參數(shù)。

(3)前臺人機交互程序。為了滿足操作人員的要求，需要實現(xiàn)前臺人機交互交互的設(shè)計，需要體現(xiàn)以人為本的理念來設(shè)計軟件。比如為了避免不必要的操作失誤，需要保證界面簡潔，盡量不超過3層；如可將所需要的操作盡可能放在同一界面，方便操作；以上都是將操作做到“傻瓜化”的設(shè)計，使得監(jiān)測方便。

(4)后臺運行程序的軟件設(shè)計。自動化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計主要采取模塊化設(shè)計，也就是將每一部分功能劃分出來，在編程特定程序成為特定模塊，而特定模塊代表著每個特定功能，其中包含有可以將儲存在數(shù)據(jù)庫里的各種參數(shù)(起始參數(shù)，儀器參數(shù))，在開機后導(dǎo)入中心控制室的初始化模塊。其次是在得到原始水質(zhì)數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進行處理的數(shù)據(jù)處理模塊。為了保證檢查測系統(tǒng)可以不間斷地進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，還需要建立可以實時監(jiān)控儀器設(shè)備運行狀況的系統(tǒng)運行狀態(tài)模塊。以及為了方便工作人員可以遠程啟動或者操控而建立的遠操控模塊(圖5)。

圖5 主程序流程

3 水質(zhì)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的安全與維護

由于水質(zhì)信息的特殊性，在進行傳輸時需要進行信息的保護，水質(zhì)信息產(chǎn)生的信道加密、信源加密、確定登錄、訪問、接入是否安全，成為水質(zhì)信息安全的重要問題?？梢栽谧詣铀|(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)使用VPN，VPN即虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，其功能在于在公共網(wǎng)絡(luò)上建立專用網(wǎng)絡(luò)，用以增加私密性，VPN可以通過對數(shù)據(jù)包進行加密并將目標地址的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)遠程訪問。當(dāng)將VPN應(yīng)用于自動化監(jiān)測水質(zhì)系統(tǒng)中時，可有效阻止系統(tǒng)外對水質(zhì)監(jiān)測信息的攻擊和破壞，從而增加其隱秘性，保障系統(tǒng)即使出現(xiàn)硬件和軟件故障也能夠全天運行[18]。

由于儀器使用具有年限性，并且一些監(jiān)測儀器所監(jiān)測的部件長期浸沒于具有腐蝕性的環(huán)境，所以要對自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行定期的維護。首先需要進行站房查驗，排查儀表是否存在問題；其次監(jiān)測避雷針是否插地，避免由于雷擊帶來的不必要的損失；然后及時清理水站分離裝置及儀表上的泥垢和水藻等，防止其腐蝕儀器；最后，校準儀器數(shù)據(jù)和儲存數(shù)據(jù)是否保持一致，從而保證數(shù)據(jù)精準，做到有效防控。

4 結(jié)語

水資源作為國家和人民經(jīng)濟以及生活的命脈，需要利用最先進的科學(xué)信息技術(shù)來確保水資源正?？捎?。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，盡管需要繼續(xù)保護環(huán)境，但是資源短缺的問題也會逐漸加劇，所以成套的先進的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)成為重要需求?，F(xiàn)階段所涉及的基于無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)的自動化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)在實踐中中充分展現(xiàn)它的優(yōu)點，即傳輸量大、傳輸快、成本低等，是一項值得推廣使用的自動化水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)。