水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用研究

李夢婭

（四川佳士特環(huán)境檢測有限公司，四川 成都 611730）

水是人類賴以生存的生命資源，實(shí)時、準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)參數(shù)狀況尤為重要。將物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作中，可以全面監(jiān)控水質(zhì)指標(biāo)，及時掌握水質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，提高水資源循環(huán)利用率，解決水污染問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大致分為三層：

第一，感知層。本層為感知終端，其組合包括傳感器技術(shù)、RFID 射頻標(biāo)識技術(shù)、視頻采集設(shè)備，感知層能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的通信，將采集的環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，按照電信號編碼生成傳輸數(shù)據(jù)報。

第二，傳輸層。本層次能夠?qū)λ杉膶ο笮畔?shí)施快速傳遞與高效處理，傳輸層集合了通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功能，其通信方式主要有三種，分別是5G 網(wǎng)絡(luò)通信、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信和藍(lán)牙通信[1]。

第三，應(yīng)用層。本層次能夠做好數(shù)據(jù)鏈路與數(shù)據(jù)處理作業(yè)，提供各種服務(wù)，包括監(jiān)測服務(wù)、交通服務(wù)、醫(yī)療服務(wù)、遠(yuǎn)程教育服務(wù)等。

當(dāng)前，水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作模式不斷優(yōu)化升級，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，構(gòu)成水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)。水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很大，擁有完善的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)多種氣候變化，監(jiān)測精度較高，主要可分為以下四種：

第一，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測面積相對較大的湖泊、池塘，其傳輸距離在100米范圍內(nèi)，屬于近距離監(jiān)測和信息傳輸，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度低，耗用成本較少，數(shù)據(jù)傳輸速率也相對較低，工作時長在半年到兩年。

第二，5G 網(wǎng)絡(luò)。5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣泛，傳輸速度快，距離遠(yuǎn)，能及時收集和發(fā)送信息，準(zhǔn)確獲取水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，工作時長為數(shù)小時。

第三，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體積、功耗與成本都比較小，傳輸速度快，通常難以實(shí)現(xiàn)大范圍和遠(yuǎn)距離傳輸。因而，只能監(jiān)測小面積水域。

第四，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸，傳輸速度也很快，主要應(yīng)用于Web、圖像和Email 管理，工作時長在數(shù)小時內(nèi)。

相比之下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用頻率更高，范圍更廣泛，可以監(jiān)測大面積水域，工作時長比另外三種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，成本與能耗低。同時，ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嚴(yán)格遵循IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了完善的物理層，集中整合了網(wǎng)絡(luò)安全、邏輯網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層技術(shù)，安全可靠性良好，能夠適應(yīng)不同的氣候環(huán)境，應(yīng)對能力很強(qiáng)。

2 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用方案

2.1 發(fā)揮ZigBee 技術(shù)優(yōu)勢

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有顯著的優(yōu)勢，能夠滿足大面積水域監(jiān)測工作需求。在水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過程中，首先，要充分發(fā)揮ZigBee 技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步改善水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系，運(yùn)用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)升級，確保在線監(jiān)測的連續(xù)性。其次，國家環(huán)保部門為了進(jìn)一步優(yōu)化ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)建了ZigBee 協(xié)議棧。在組合架構(gòu)中，ZigBee 協(xié)議棧是由應(yīng)用層/行規(guī)、應(yīng)用架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)/安全層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層共同組成。各層結(jié)構(gòu)發(fā)揮各自功能的同時會密切配合，全面做好水環(huán)境監(jiān)測工作。其中，應(yīng)用層/行規(guī)對所有傳感器的應(yīng)用規(guī)則予以規(guī)范，重點(diǎn)做好水環(huán)境監(jiān)測代碼開發(fā)工作。應(yīng)用架構(gòu)層會在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上對應(yīng)用層的各項(xiàng)應(yīng)用予以映射[2]。網(wǎng)絡(luò)/安全層可以提升各節(jié)點(diǎn)的通信服務(wù)效率，建立完善的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)鏈路層會處理好鏈路上的數(shù)據(jù)流，仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，處理錯誤問題。物理層用于選擇適宜的頻段，探測信號，做好數(shù)據(jù)調(diào)制與解調(diào)工作。

2.2 水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)工作

發(fā)揮水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)功能，要做好系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)工作。從設(shè)計(jì)流程來看，首先要立足于整體設(shè)計(jì)目標(biāo)，精準(zhǔn)選擇系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目。水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目要結(jié)合水體要求進(jìn)行合理選擇，要注意根據(jù)河流、湖泊、飲用水源地等不同水體的要求，一并納入必測項(xiàng)目，科學(xué)選擇其他項(xiàng)目。河流的必測項(xiàng)目包括溶解氧含量、水溫、pH 值、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、總氮含量、化學(xué)需氧量、氨氮含量、總磷含量、銅元素含量、鋅元素含量、氟化物含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、鎘元素含量、鉻元素含量（六價）、鉛含量、氰化物含量、揮發(fā)酚、石油類含量、陰離子表面活性劑、硫化物含量等。選擇項(xiàng)目通常有兩個：甲基汞和總有機(jī)碳。

湖泊（包括水庫）必測項(xiàng)目與河流基本一致，并在其基礎(chǔ)上增加了糞大腸菌群。湖泊的選測項(xiàng)目有四個：甲基汞、總有機(jī)碳、硝酸鹽、亞硝酸鹽。在準(zhǔn)確監(jiān)測湖泊的溶解氧、鹽分含量、pH 值、亞硝基氮、氨氮和總氮等水質(zhì)參數(shù)后，需要結(jié)合實(shí)際情況實(shí)施調(diào)整與控制。如果是淡水湖，就要將水體的pH 值控制在7.5到8.5 之間。如果湖泊水體的pH 值小于7，就要通過加入生石灰來增加pH 值。假如湖泊中的pH 值大于9，就需要通過加注足量的淡水予以調(diào)節(jié)。對于溶解氧，需要將其調(diào)整到5mg/L 以上，如果缺氧，就要注入氧，以免湖泊中的水生物死亡，并定期對湖泊水體進(jìn)行潔凈處理。為了降低淡水湖里的有機(jī)物，則需要根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來投入足量的沸石粉，這樣可以對水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化和改善，使水中的有機(jī)物得以降解，并吸附氨氮。對于湖泊中的亞硝酸鹽，要確保其低于0.1mg/L，二氧化碳不能高于20mg/L 到25mg/L 的范圍，要將硫化氫控制在0.2mg/L 以下。對于湖泊中的浮游植物量，需要控制在20mg/L 到100mg/L 的范圍內(nèi)。

飲用水源地對水質(zhì)的要求非常高，水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作比普通的河流、湖泊嚴(yán)格，必測項(xiàng)目包括溶解氧含量、水溫、pH 值、水中懸浮物、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、BOD5、氨氮含量、總磷含量、總氮含量、銅元素含量、鋅元素含量、氟化物含量、鐵元素含量、錳元素含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、鎘元素含量、鉻元素含量（六價）、鉛含量、氰化物含量、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物含量、硫酸鹽含量、氯化物含量、硝酸鹽含量和糞大腸菌群等。選測項(xiàng)目有三個：有機(jī)磷農(nóng)藥、硫酸鹽、碳酸根。

在整個必測項(xiàng)目中，工作人員應(yīng)著重監(jiān)測五大參數(shù)，分別是溶解氧、水溫、pH 值、電導(dǎo)率和水的濁度。選定監(jiān)測項(xiàng)目后，對參數(shù)性能指標(biāo)予以確定。通常，溶解氧（mg/L）的測量范圍在0-20，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在0.3 以內(nèi)；水溫（℃）的測量范圍在0-100，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在5%以內(nèi)；pH 值（無量綱）的測量范圍在2-22，儀器分辨率的要求是0.01，測量誤差控制在0.1 以內(nèi)；電導(dǎo)率（mS/m）的測量范圍在0-500，儀器分辨率的要求是1，測量誤差控制在1%以內(nèi)；水的濁度（NTU）的測量范圍在0-100，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在5%以內(nèi)[3]。

在人工采樣和測量工作中，必須緊密結(jié)合不同水體功能、水體環(huán)境與水文要素，遵循最低采樣頻率，獲取最具代表性的水樣，確保樣品能夠反饋水環(huán)境的情況。對于飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測工作，需要按照每月一次的規(guī)則實(shí)施采樣測量。其他水域可以采用每年六次的采樣工作。

在設(shè)計(jì)水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)框架的過程中，需要按照數(shù)據(jù)流的模式，依次設(shè)計(jì)采水單元、配水單元、分析單元和控制單元。其中，采水單元組合模塊包括水泵、管路與供電設(shè)施及安裝結(jié)構(gòu)，該單元系統(tǒng)能夠采集水樣，在設(shè)計(jì)過程中，要注意增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力；配水單元系統(tǒng)的組合裝備有三種，分別是水樣預(yù)處理設(shè)施、自動化清洗裝備和輔助設(shè)施，該系統(tǒng)會對水樣進(jìn)行處理，然后將水樣配送到測量點(diǎn)；分析單元系統(tǒng)包括自動化分析儀器設(shè)備和測量儀器，該單元系統(tǒng)能夠做好水質(zhì)參數(shù)測試分析工作；控制單元由通信設(shè)備、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊、系統(tǒng)控制柜、基站控制與監(jiān)控設(shè)備組成。

2.3 改善水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路

傳感器節(jié)點(diǎn)處于水環(huán)境監(jiān)測的第一現(xiàn)場，要在所監(jiān)測的湖面上安裝傳感器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)施，并做好必要的防水工作。在系統(tǒng)配置過程中，需要將電化學(xué)傳感器安置在湖面以下的探頭頂端，運(yùn)用傳感器節(jié)點(diǎn)做好所有數(shù)據(jù)采集作業(yè)，采集數(shù)據(jù)是否精準(zhǔn)、完整，則需由傳感器探頭轉(zhuǎn)換方式的正確與否、設(shè)備監(jiān)測精度，調(diào)理電路的正確性與放大倍數(shù)、ADC 轉(zhuǎn)換精度以及分辨率共同決定。優(yōu)化水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)，改善系統(tǒng)硬件電路，理應(yīng)依次做好溶解氧傳感器節(jié)點(diǎn)、水溫傳感器節(jié)點(diǎn)、pH 值傳感器節(jié)點(diǎn)、電導(dǎo)率傳感器節(jié)點(diǎn)和濁度傳感器調(diào)理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作[4]。從水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)角度來講，在溶解氧監(jiān)測工作中，會使用新型三電極體系傳感器，陰極與陽極是兩根呈雙繞的細(xì)鉑絲，在應(yīng)用過程中，會將其封閉于隔膜的電解液溶液內(nèi)，借助銀絲帶充當(dāng)參比電極。這樣測量精度很高，也不會污染水源。在溶解氧傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作中，要嚴(yán)格遵循溶解氧調(diào)理電路設(shè)計(jì)原理，采集微弱的電流信號，輸出微機(jī)進(jìn)行處理，使電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，運(yùn)用放大電路來獲取參數(shù)。

水溫傳感器節(jié)點(diǎn)即溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，在具體設(shè)計(jì)中，需要配置溫度傳感器DS18B20。工作人員將其設(shè)置為一線型總線式結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)信、地址線與控制線集成設(shè)計(jì)。從應(yīng)用效果來看，溫度傳感器DS18B20 能夠準(zhǔn)確測量溫度，設(shè)備外形輕巧，測量精度非常高。對于水溫傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電源，適宜借助微機(jī)引腳實(shí)施供電，有助于節(jié)省更多資源，轉(zhuǎn)換時間在100 毫秒到700 毫秒之間，抗干擾能力良好，安全可靠性高。

pH 值傳感器節(jié)點(diǎn)用于測量水中的pH 值，選用電極型pH 值傳感器就能夠滿足地面水和湖泊水的測量工作需求，運(yùn)用電位計(jì)法準(zhǔn)確測量電池電動勢，然后，計(jì)算出水中的pH 值。在水環(huán)境監(jiān)測工作中，水質(zhì)越良好，電導(dǎo)率越弱。在電導(dǎo)率傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作中，需要根據(jù)實(shí)際需求，選用適宜的傳感器。當(dāng)前電導(dǎo)率傳感器可分為三種：電極型傳感器、電磁型傳感器、超聲波型傳感器，要根據(jù)物理測量原理來配置相應(yīng)的傳感器。

水中普遍含有各種懸浮物，當(dāng)光在水中散射、投射或者吸收變化時，水會變得渾濁，其渾濁的程度被稱為濁度。濁度是水環(huán)境的重要監(jiān)測參數(shù)，直接影響飲用水的質(zhì)量、水中生物的生存狀況與工業(yè)用水質(zhì)量。準(zhǔn)確測量濁度，必須設(shè)計(jì)好濁度傳感器調(diào)理節(jié)點(diǎn)。在濁度傳感器調(diào)理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作中，需結(jié)合傳感器的特性不斷優(yōu)化水生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，正確運(yùn)用傳感器監(jiān)測水的濁度信號。濁度傳感器分為散射式傳感器和投射式傳感器，兩種傳感器各有優(yōu)點(diǎn)，前者應(yīng)用范圍更廣泛。

2.4 促進(jìn)水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)軟件升級

提升水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果，必須重視促進(jìn)系統(tǒng)軟件升級，充分借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)軟件功能，做好軟件開發(fā)工作。當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)水環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是以CC2530生產(chǎn)廠商TI公司所提供的Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0為基礎(chǔ)依托，其物理層與網(wǎng)絡(luò)層將ZigBee 的標(biāo)準(zhǔn)802.15.4 作為設(shè)計(jì)參考。同時，會運(yùn)用嵌入式軟件開發(fā)模式來完成路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的CC2530 的51 內(nèi)核軟件設(shè)計(jì)工作，嚴(yán)格遵守硬件接口電路設(shè)計(jì)原理，全面做好上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)工作[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，全面優(yōu)化水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方案，應(yīng)充分借助ZigBee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測，精準(zhǔn)選擇系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目，合理確定參數(shù)性能指標(biāo)，不斷改善水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路，持續(xù)促進(jìn)系統(tǒng)軟件升級。