物聯網技術在線水質監測系統設計應用

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摘要：基于物聯網+傳感器的技術應用，結合機電控制技術、流體取樣技術，設計并實施了水質在線監測系統，闡述了此系統的功能組成及工作原理。系統實現快速、實時、準確地分析檢測河涌（渠）道的水質數據信息，同步生成水溫、溶解氧、氨氮、pH值、化學需氧量、濁度、氧化還原電位7個水質指標及水位高度的數據波形圖并上報管控中心，有效避免了當前人工監管作業方式的偏差風險及實效性問題。

關鍵詞：水質監測；在線水質檢測；在線取水

引言

根據國家2016年12月11日印發并實施的《關于全面推行河長制的意見》，珠海市政府隨即印發《珠海市全面推行河長制工作方案》的通知，并啟動《珠海市全面推行河長制“一河一策”實施方案》的編制工作，旨在基于通過布署物聯網在線式的水質監測系統，進行遠程河涌（渠）道水質數據監測及監管，形成管轄區內水質的大數據。依據監測數據進行模型分析，實現管轄區內水質變化規律的可視化管理，從而提供科學的決策數據支撐[1-2]。珠海市轄區內的河涌（渠）道分布較廣。現行主要的管理手段是依靠人工定期巡查及臨時從相關河涌（渠）道中抽檢采樣進行管理，即人工攜帶采樣桶到現場采樣，采取的水樣裝瓶后再送到檢測中心化驗分析。這種傳統的人工作業方法因人而異，采樣作業方式各異，現場水位也不統一，常常遇到水太淺無法取樣，水太深又無法統一采樣標準。特別是水位變化較快的河涌（渠）道，從而嚴重影響水樣的代表性。另外，受限于人力及交通原因，現有檢測的頻率及密度次數有限，導致較大的監管實效性問題。另外，在湖泊中的取樣還伴有人身安全風險，給水質監管及河涌（渠）管養提升工作帶來了極大的困擾。國內目前也有一些研發生產在線水質檢測系統的廠家，但大部分的產品是岸邊站房的形式，體積大且需要配套土建工程。一般是先建造一座站房，將相關設備安裝在室內，并配備相關溫控及排水清洗等管道系統。工程實施和安裝較為復雜，費用投資成本較大，且對現場實施場地環境有一定要求，推廣使用存在一定的局限性。

1系統概述

基于物聯網+傳感器技術的水質在線監測系統是以多參數在線水質檢測傳感器為核心，結合計算機（包括軟件）技術、機電控制技術、流體取樣技術等高度集成的一套完整的自動分析系統。根據水質檢測的要求，快速地對水樣進行自動采樣并檢測水溫、分析溶解氧（DO）、氨氮、pH、化學需氧量（COD）、濁度、氧化還原電位（ORP）7個水質指標參數，同時監測水位高度和降雨量2個輔助參數。利用物聯網協議和4G網絡傳輸等技術實現快速、實時、準確地獲取河涌（渠）道的水質狀態信息。超低功耗設計為工作狀態小于150mA、休眠小于20μA，定時采集并支持遠程喚醒。支持市電接入、太陽能+鋰電池供電，在無市電情況下支持全天的在線監測工作。報送方式采用自報、自報-確認、應答3種兼容的混合式工作模式，同時兼備對設備電源電壓，工作環境溫度及系統狀態信息的實時監測[3-6]。

2系統架構及工作流程

此系統主要由服務器端，嵌入式端和執行設備端3層架構組成。其中服務器端包括接收模塊、轉發服務模塊、展示模塊、存儲模塊、設備端管理模塊和日志。嵌入式端主要包含主控板和核心板。主控板由執行控制、數據采集、通信交互控制模塊組成；核心板由服務器通信、配置和升級文件及擴展功能模塊組成。執行設備為具體的底層采樣分析檢測設備，主要包括取水泵、電控水閥、水流檢測開關及相關傳感器。水質監測系統架構如圖1所示。水質監測系統具體工作是以主控板為核心進行流程控制。主控板根據水質監測的業務需求控制執行設備，完成水位檢測，同時判斷是否符合最低取樣標準，然后進行抽水采樣、沉淀、檢測，最后排水。水質檢測傳感器檢測的數據結果在主控板上緩存，主控板定時啟動核心板將本地緩存的水質數據通過核心板上傳到服務端。用戶（管控中心）可在服務器端查看設備運行狀態及相關檢測數據，并根據工作或業務需要對設備進行參數配置或軟件更新操作[7-9]。

3系統安裝及使用情況

本系統其中的一個監測點于2019年12月15日在珠海灣仔海鮮街排洪渠施工完成，并于2019年12月19日正式開始投入運行。系統設置的運行參數如下：檢測周期為20min/次，最低取樣水位為10cm。即當水位低于10cm時，不進行采樣取水作業。按此工作頻率，理論上每天有72組數據，每周有近500組數據。和之前每周2次固定采樣和每月2次的隨機抽檢采樣的人工作業方式相比，現在系統運行一周的數據即相當于人工作業全年的數據，極大提升了檢測頻率及次數。此監測點主體設備圖如圖2所示，河道取水設備圖如圖3所示。主體設備主要技術參數如表1所示。因系統采集數據密度較大，以近期3天的數據生成了如圖4～8所示的數據波形圖，作為簡要說明（主要摘出水位、化學需氧量、氨氮、氧化還原電位）。從圖中可以明顯看出，此監測點的相關參數有規律性變化。例如，水位高度的峰值在夜間0點左右，最高水位1.5m，最低卻在0.1m以下，且低值在上午10點以前，水位的急劇變化在晚上0點左右，pH值基本穩定，說明短時間內，此區域沒有強酸強堿物的大量排放。化學需氧量（COD）值基本穩定，但在15日出現小峰值，然后又回落，氨氮的峰值基本出現在中午和晚上用餐時間（因附近有大量餐廳），氧化還原電位（ORP）規律性在上午10點左右出現低值。相信經過一段時間的投運，根椐采集的數據波形圖，完全可以掌握此檢測點水質的詳細變化情況及趨勢。

4安裝實施注意事項

根據這次安裝實施的情況總結以下經驗。（1）安裝位置。綜合排污管道、潛在的水質易污點，建議按照以下原則進行選擇：①盡量選擇在水質易污區位；②靠近橋梁、岸邊有混凝土基礎，便于相關設備的部署；③最好具有電力基礎條件，若無市電條件，建議在陽光直射點，避免在大樹下及陰涼處，以保證太陽能供電效率。（2）采樣點。①盡量選擇水位最深點，避免在枯水期受水體底部泥沙的影響；②根據采水點的實際地形等實際情況，選擇潛水泵或自吸泵，原則上優先考慮潛水泵；③采樣取水頭一定要多層過濾處理并定期更換，避免異物堵塞取水管。（3）預處理。在運行過程中，發現采樣取水頭很容易被水中異物、泥沙等影響，造成堵塞等采樣問題。針對這種情況，建議設置沉淀箱，先將抽上來的水進行過濾及一定時間的沉淀；然后再從沉淀箱二次采樣進行后續檢測分析；同時在采樣前，系統應從進水口到整個系統的出水口進行一定時間的清洗程序，這個自動清洗程序能最大限度地確保水樣避免交叉污染。

5結束語

本文介紹的在線水質監測系統每20min進行一次檢測，并實時自動采集信息，生成報文；通過物聯網協議及時把數據同步傳輸到管控中心，支持管控中心下發指令、臨時抽檢作業、遠程配置管理、遠程閥值預警等功能；給水質模型分析軟件提供大量基礎數據，從而依水質變化趨勢實現有效預警，也可以根據實時水質參數之間的關聯組合表現的綜合性質，為決策人員提供大量客觀詳實的有效數據和判斷依據。另外，該系統設備相對市面上的產品體積小、集成度高，能直接在戶外使用，安裝簡潔，無需復雜的土建站房工程，費用成本有較大的優勢以及市場前景。在倡導“青山綠水就是金山銀山”的今天，隨著國家對環境保護的空前重視及管理工作的不斷細化及深入，在線水質監測系統隨著信息化技術的逐步深入推廣及使用，必將對整個水環境保護、水污染控制以及維護水環境健康方面起到至關重要的作用。

參考文獻：

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作者：喬雄輝 閔雄 單位：遠光軟件股份有限公司