水質動態(tài)檢測與藥劑智能調配投放系統(tǒng)及硬件設備的研發(fā)與應用

劉書杰，王博，周旺平，周文科

（揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225000）

1 社會背景

水是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質資源之一，但是，當前生態(tài)系統(tǒng)的水質令人堪憂。我們需要通過適當?shù)姆绞竭M行治理、保護。目前，針對封閉水域，雖然采用多種手段凈化水質，但需治理水域存在面積小、流動性差、水質凈化和治理能力弱等客觀問題，此外，生態(tài)系統(tǒng)水質的好壞對周邊環(huán)境要求較高。自然或非自然因素容易對水體造成重金屬污染、富營養(yǎng)化等化學因素新污染威脅，由此水體的長期穩(wěn)定性通常得不到保證。例如，水產養(yǎng)殖行業(yè)對水體質量的要求較高；水質的好壞直接影響水產品的質量與價格。隨著生活品質的提高，原生態(tài)經濟取得了前所未有的好轉。而水產養(yǎng)殖類產品質量低下、缺乏保障等問題嚴重影響了我國高質量水產養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。因此，水質的調控對于優(yōu)質水產品的生產尤為重要。此外，鄉(xiāng)村河道、人工湖等水域的生態(tài)自我凈化能力較弱。一旦受到污染物的影響，水質會迅速惡化，導致土壤板結、龜裂，從而使得觀賞效果會大打折扣，不利于美麗鄉(xiāng)村的建設。如果為了改善受污染的水體而重新?lián)Q水，既不經濟，也不利于可持續(xù)發(fā)展，同時也是對水資源的浪費。而采用人工直接治理的方式使人直接在岸邊將大量的藥劑投入水體，存在打破原有水體的平衡的可能，甚至會造成二次污染等嚴重后果。

不論是“綠水青山”還是“三農問題”，都離不開物聯(lián)網技術設備的支撐。可以就船舶自動化的、遠程的控制機器自行完成水質取樣、藥劑投放問題。通過對關鍵技術進行驗證和深入研究，設計、分析、測試、實踐，最后優(yōu)化設計，最終提出本次項目方案。

2 技術背景

與歐美國家相比，我國水質治理監(jiān)測工作起步較晚。當前我國水質治理產業(yè)雖得到了跨越發(fā)展，但受水質動態(tài)檢測－藥劑智能配置投放交互影響機理缺乏、系統(tǒng)與硬件匹配性差、受智能化整體水平低等制約，藥物投放硬件裝置在穩(wěn)定性、信息化、智能化水平等方面與發(fā)達國家存在較大差距，智能機械化水平較低。如今提高產品的核心競爭力，進行以信息化和智能化為特征的產業(yè)技術升級，是未來人工向水質動態(tài)檢測與藥劑智能調配投放一體化設備轉型的重要方向。

綜上所述，本文從水體環(huán)境信息獲取、藥劑精準管控、水質環(huán)境智能精細化調控、云端數(shù)據(jù)交互管控以及智能云平臺管理等方面出發(fā)，開展基于物聯(lián)網管控的藥物精細化高效投放關鍵技術研究，解決目前水質調控過程中智能化水平低、生產管理粗放、勞動強度大、作業(yè)效率低、生產維護成本高等問題，提高水質調節(jié)管控智能精細化水平。利用水質監(jiān)測系統(tǒng)進行主要參數(shù)實時采集、無線傳輸、經地面控制系統(tǒng)進行藥物投放裝置的遠程控制與自動監(jiān)控功能，實現(xiàn)了水體酸堿性以及其他水質的連續(xù)調節(jié)與優(yōu)化調控，并與不同省份、地區(qū)的不同檢測標準相融合，可適用于不同水域的水質檢測與藥物投放，實現(xiàn)水質調節(jié)一體化精確控制。

2.1 研究內容

本文以不同的水域為主要對象，以高效、精準、智能為目標，從水體環(huán)境信息獲取、藥物比例精準管控、水體環(huán)境智能精細化調控、云端數(shù)據(jù)交互管控以及智能云平臺管理等方面出發(fā)，開展基于物聯(lián)網管控的水自動檢測與藥劑智能調配投放系統(tǒng)及藥物投放裝置的研發(fā)應用。具體研究內容如下：

2.1.1 設水體DO、pH、水溫，導電率/TDS等感知與在線監(jiān)測技術研究

借助船體的水質檢測裝置將收集的水質信息，通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術，將信息經過云端計算輸送到地面控制系統(tǒng)，地面控制系統(tǒng)根據(jù)水質傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析并得到最優(yōu)的水質調解方式，并將調解信息通過原渠道反饋到藥物投放裝置，實現(xiàn)點對點，一水一策的水質調節(jié)（圖1）。

圖1

水質檢測系統(tǒng)及對應的裝置通過檢測需要的水質指標（如pH、DO、水溫，導電率/TDS等）來反映水質是否符合周邊環(huán)境或對應行業(yè)的標準。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)經云端服務器處理進而被發(fā)送到地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，將信息傳達給用戶，用戶可以根據(jù)顯示的信息對河道進行動態(tài)調控，同時，還可以根據(jù)與實際水質的情況計算分析需要供應的藥劑的類型和配比，然后利用STM-32單片機操作系統(tǒng)控制設備的各個部件，再通過藥劑智能調配混合系統(tǒng)，將提前在原料箱中備好的原料（如酸堿鹽、重金屬鹽類、鹵素類、微生物類等）按照系統(tǒng)指示比例要求混合配置和定點定量投放，使整個裝置成為一個可以實現(xiàn)遠程控制的完整裝置，實現(xiàn)硬件與環(huán)境的智能感知。并由此達到改善水質的目的。最終通過整個系統(tǒng)的運轉，在無人駕駛船搭載藥物投放裝置并適配系統(tǒng)，就可以在無人船兩側進行藥物的直接投放，實現(xiàn)點對點的藥投放及通過提供適當藥劑來改善水質，加速自然生態(tài)的恢復，以達到提高效率的目的。水質實時監(jiān)測與藥劑智能調配投放裝置，可實現(xiàn)水質問題的“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，提供更平衡的生活環(huán)境，促進環(huán)境友好型社會建設，從而減輕水質維護的經濟負擔與人力投入。

2.1.2 基于水體信息的藥物智能精準管控技術研究

針對水體治理管理存在差異，現(xiàn)有藥物配比不精確、調控長時滯、藥液濃度不能連續(xù)調節(jié)以及調控裝置損耗較大等特點，難以做到實時在線精準調控等問題，采用基于水體DO、pH、水溫，導電率/TDS等多源感知的藥劑信息一體化在線精確測量技術，開發(fā)基于水體污染信息的藥劑信息一體化在線精準反饋控制系統(tǒng)，研究基于化學成分決策處方的不同元素的精準配比技術，分析不同線速度和變量控制信號對動態(tài)施藥量分布均勻性的影響規(guī)律，實現(xiàn)藥液濃度的在線快速連續(xù)調節(jié)，藥物投放作業(yè)的優(yōu)化調控，控制誤差≤5%FS，系統(tǒng)響應時間≤5秒，滿足藥劑利用率≥95%。

3 硬件技術

3.1 水質改善裝置的總結構組成

該排放裝置包括藥劑調配單元、進水管道和投放單元；藥劑調配單元包括原料儲存?zhèn)}，原料儲存?zhèn)}具有多個獨立的藥劑儲存腔，多個上述藥劑儲存腔均連通有藥劑輸送管道，藥劑輸送管道設置有電動限流單元，藥劑輸送管道遠離上述原料儲存?zhèn)}的一端連通有混合管道，上述混合管道開設有藥劑排放孔；進水管道的一端連通于上述混合管道，進水管道遠離混合管道的一端用于外接水源；投放單元包括投放船，投放船設置有支撐架，原料儲存?zhèn)}設置于上述支撐架的上側。可實現(xiàn)投放藥劑的自動配比和投放，具有精準度高和安全性高的優(yōu)點。圖2～4為該裝置內部結構的三視圖，裝置也主要由3部分組成：水質檢測裝置、藥物投放裝置、計算操作模塊。

3.2 藥劑定時定量投放的結構裝置

為解決勞動量大及工作效率低等問題，采用了定量定時的投放裝置，該裝置包括導流管道、原料箱、藥劑輸送管、混合管道、流量調節(jié)閥和轉動電機。流量調節(jié)閥上設置有轉動電機。在轉動電機上連接定時控制器，用于控制及轉動電機的啟動與停止。在流量調節(jié)閥前面安裝液體流量計，因為原料試劑流動時通過的管子的橫截面積是一定且不變的，通過液體流量計，我們可以知道液體的流速。

在使用時，通過啟動流量調節(jié)閥上的轉動電機，使轉動電機帶動流量調節(jié)閥的打開，通過分析得到的最優(yōu)水質調節(jié)方法，且已知液體流量計流速的情況下，設定好相應的定時控制器時間，從而實現(xiàn)定時定量投放。最后，混合管道中的混合藥劑通過混合管道上的藥劑排放孔流入該水域。

此外，因原料中含有化學試劑，所以為防止原料出現(xiàn)揮發(fā)、升華、潮解、水解以及氧化等變質現(xiàn)象所導致的試劑損耗問題，我們采用了隔離、避光、低溫及通風的方式，對不同的原料搭配合適的儲存方式。

3.3 關于水質檢測傳感器的結構明細

為了更加清晰地了解水質情況，以前需要人為取水在實驗室進行水質檢測，本裝置配備有相關的水質檢測裝置，可以實時動態(tài)對水質進行檢測，并將水質檢測信息以及所在地理位置上傳給用戶。水質檢測裝置有在線ORP傳感器、在線數(shù)字pH傳感器、四點極電導率傳感器、UV254 COD傳感器等。實現(xiàn)對水質指標（溫度、溶解氧、pH值、COD、電導率、葉綠素a）等環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場檢測。最后，利用無線通信的方式實現(xiàn)遠程服務監(jiān)控平臺和船載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。用戶通過檢測的數(shù)據(jù)控制環(huán)保船下一步的行動計劃，實現(xiàn)動態(tài)調度、響應速度快的效果。

3.4 附圖說明

為了更清楚地說明本文實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單的介紹，便于理解，以圖2～5表示出了本文的某些實施例，因此，不應被看作是對范圍的限定。對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖（圖中，1.進水管道，2.支撐架，3.原料儲存?zhèn)}，4.注水孔，5.藥劑輸送管道，6.流量調節(jié)閥，7.導流管道，8.混合管道，9.藥劑排放孔）。

圖2 一種藥劑智能配置排放裝置的主視圖

圖3 一種藥劑智能配置排放裝置的側視圖

4 結語

圖4 一種藥劑智能配置排放裝置的俯視圖

圖5 一種藥劑智能配置排放裝置的控制原理圖

本文設計的項目是以STM32開發(fā)板為核心的藥劑智能調配投放系統(tǒng)以及硬件的研發(fā)設計。藥物的智能調配與投放裝置一定程度上解決了人工勞動強度大、人員安全得不到保障、水體得不到精確化的治理等問題。本文設計的項目具有效率高、智能化和降低人工成本等的優(yōu)點，實現(xiàn)點對點的精確化治理，也起到了節(jié)省藥物的功能，更不會對其他水體造成二次污染。提升效率的同時，也提高了藥劑的利用率，具有較高的社會效益和經濟效益，具有新穎性、創(chuàng)造性和實用性。