物聯網技術在水環境實時監控中應用

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摘要:本文介紹了我國水環境保護的幾個階段及電子信息技術在水質監測方面的應用現狀，提出利用物聯網技術改造現有設備，實現水質的實時監測，防止水污染惡性事故的發生。文中給出了基于物聯網技術的水質實時監測系統的結構和原理。

關鍵詞:水環境；水污染；實時監測；物聯網

1引言

自古以來，人類聚集在水源附近發展出形形色色的文明。一些文明不斷發展壯大，逐漸成長為今天占據優勢地位的文明形態；也有一些文明曇花一現，很快消失在歷史的長河中。探究其消失的原因，除戰爭外，大多數與水資源的衰竭有關。如古代巴比倫文明后期由于不合理的灌溉造成土地鹽漬化和灌溉渠道淤積的嚴重后果而走向滅絕；撒哈拉文明則由于季風雨帶的變遷和人類過度放牧及燒荒毀林的行為，消失在漫漫黃沙中。現在的撒哈拉沙漠仍在以每年6km的速度吞噬著中非的沃土[1]。歷史的教訓說明，過度地向大自然索取而不知保護水源，人類必將走向自我滅亡的不歸路。我國水資源的保護大致可以劃分為2個階段。建國初期到2006年為第一個階段。這一階段以點源治理為主，重點防治工業污染。由于重視不夠、經驗不足，沒有解決污染跨界問題，重大水污染事件屢見不鮮，生態環境逐步惡化。2006年以后為第二階段。這一階段重點解決流域污染問題，明確地方政府在防污、治污方面的責任，取得了很好的效果。經過多年治理，截止2020年12月，在我國1940個國家地表水考核斷面中，水質優良（Ⅰ～Ⅲ類）斷面比例達到83%以上[2]。通過網絡搜索引擎可以發現，大面積的水污染事件都是發生在2018年之前，2018年之后小范圍的水污染事件偶有發生。這表明經過長期的治理，水污染防治已經初見成效。另外一方面也應該注意到，今年以來發生的幾起污染案件都不是由環保部門首先發現，而是由于群眾舉報被曝光的。這表明環保部門還缺乏足夠的人力和技術手段來實時監測水質。因此，引進更多的技術手段對環境進行監測勢在必行。

2當前水資源保護技術現狀

為了應對日益嚴重的污染，自1959以來，美、日、英、法、澳相繼展開了水質監測系統的研究。目前西方發達國家普遍應用現代信息技術手段，實現了水質的自動取樣、監測，并通過網絡將數據傳送到監控中心，如全球海洋監測系統GOOS、英國特倫特河預警系統等。我國自1980年開始，陸續在全國重點水域建設70多個自動水質監測站，監測溶解氧、電導率、PH值、水溫等數據。目前已形成了包括地表水環境質量自動監測網、地表水環境質量監測網、飲用水源地環境質量監測網、水污染防治專項規劃水體環境質量監測網、地下水環境質量監測網和錳三角地區水環境質量監測網等6個子網在內的國家水環境質量監測網[3]。目前，我國自動水質監測站還存在規劃不盡合理的問題：有的地方站點重疊，有的地方則幾乎一片空白；數據發布范圍小，公眾難以獲得與自身密切相關的水質數據[4]。隨著無線通信技術及物聯網技術的長足發展，對原有設備進行改造，建設基于物聯網技術的水質監測實時系統，打破水質信息孤島，可以有效防止水資源領域的腐敗犯罪，震懾不法廠商，最終實現“魚翔淺底”的美好愿景。

3水質實時監測系統

基于物聯網技術的水質實時監測系統如圖1所示，由傳感控制層、傳輸層和應用層構成。其中，傳感控制層使用各種智能水質傳感器或對原有水質傳感器進行智能化改造后，實現水質的自動檢測和實時數據上傳；傳輸層用于部署數據庫以及web服務器，用于實現數據的接收存儲以及對外提供web服務；應用層可以在PC端和移動設備上通過web網頁和微信小程序依據權限查看監控地點的水質狀況。目前國內自動監測站通常檢測PH值、溶解氧、電導率、溫度等[5]。智能傳感器可以采用NB-IOT技術實現數據的實時上傳。

3.1重金屬離子測量

陽極溶出伏安法原理：首先以一定的反向電壓對溶液進行電解，重金屬離子會富集在陽極上，然后電壓向正方向掃描，富集在陽極上的重金屬會隨陽極電壓的增加溶解而出現電流峰值，電流峰值出現的位置和金屬種類相關，峰值則和重金屬離子的濃度相關。陽極溶出伏安法重金屬離子測量原理如圖2所示。MCU產生PWM脈沖經H橋驅動電路、低通濾波器濾波后產生由負到正的掃描電壓，施加到工作電極上。這是溶液中金屬離子發生從富集到溶解的轉變過程。同時IV轉換電路測量溶液中電流，經AD轉換電路送MCU處理。MCU檢出電流出現峰值時的電壓，通過比較、計算，獲得重金屬離子的種類和濃度，然后將計算記過經NB-IOT模塊傳輸到數據服務器。3.2PH值、溶解氧、溫度測量溶解氧測量電路及溫度測量電路與圖3類似，將PH電極更換為溶解氧電極或NTC電極，并適當調整即可。

3.3電導率的測量

電導率在一定程度上可以反映水中酸、堿、鹽等離子的濃度，以及水被污染的程度。電導率測量電路如圖4所示。為保證精度，U1、R2和C2構成高增益跨導放大器。測量數據經NB-IOT模塊送服務器處理或進一步處理。

3.4有機物的測量

有機物的測量一般可以采用分光光度法和滴定法。其中滴定法通常用于實驗室測定，且產生的廢液可能造成二次污染問題，不適用于在線測量。分光光度法可以進行技術改造，實現有機物含量的在線測量。分光光度法是利用不同物資對特定頻率的光照有較強吸收作用這一特性來實現對物質含量的測定。按照使用光源的頻率可以分為可見光、紅外、紫外分光光度法。分光光度法可以測定大多數金屬元素和有機物。分光光度法測量系統如圖5所示。蠕動泵抽取樣品進入樣品盒，同時將上次測量產生的廢液排出。氙燈發出的連續頻段信號照射到樣品上，特定頻率的光波被吸收。透視的光線照射到分光光柵上，散射為不同頻率的單色光，反射到CCD元件上。CCD將采樣數據發送到CPU，由CPU進行處理，分析吸收峰所在的位置和強度，進而給出有機物的種類和濃度。

3.5NB-IOT數據接口電路

如圖6所示，重金屬離子監測數據、PH值、溶解氧、溫度、電導率、有機物含量數據等經AD采樣后轉化為數字量進入CPU進行處理，若發現數據異常，立即喚醒NB-IOT模塊，將報警數據發數據中心。NB-IOT模塊采用利爾達的NB86模塊。該模塊符合3GPP標準，支持Band1、Band3、Band5、Band8、Band20、Band28頻段，可以選用中國電信、移動、聯通的NB-IOT卡。它具有體積小、功耗低、抗干擾能力強的特點。

4結論

采用物聯網技術，可以滿足水質監測的實時性要求，可以在水質有惡化傾向時報警，方便管理部門提前介入，避免惡性水污染事故的發生。

參考文獻

[1]李素清.對人類文明興衰與生態環境關系的反思.太原師范學院學報（社會科學版）,2004,3(9):17-19

[2]2020年全國地表水和空氣質量狀況持續好轉.

[3]嵇曉燕,等.國家水環境質量監測網絡發展歷程與展望.環境監測管理與技術,2014,26(06):1-4

[4]徐劍秋,等.加強水環境監測，為長江大保護提供技術支撐.水利水電快報,2016,37(11):1-2

[5]吳秋瑜.基于河流無線傳感網絡的水環境監測系統研究[碩士學位論文].廣西大學,南寧,2020

作者:湯榮生 單位:泰州職業技術學院信息技術學院