基于天然水體的水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引 言

水是生命之源，人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)都離不開水，生活飲用水水質(zhì)、水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)及水生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)的優(yōu)劣均與人類健康密切相關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步和人民生活水平的提高，人們對(duì)水質(zhì)的要求不斷提高。但同時(shí)，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類水質(zhì)均受到一定程度的污染。因此，對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)越來(lái)越迫切，尤其對(duì)范圍廣、影響大的天然水體的監(jiān)測(cè)。

1 研究現(xiàn)狀及意義

水質(zhì)監(jiān)測(cè)目前已實(shí)現(xiàn)從定點(diǎn)人工采樣到單點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量站的轉(zhuǎn)變，但由于水域面積較大，單點(diǎn)測(cè)量站靠近陸地，無(wú)法全面反映水質(zhì)情況。為了提高測(cè)量精度，許多項(xiàng)目都選擇精度較高的進(jìn)口水質(zhì)傳感器。但由于歐美國(guó)家的水質(zhì)情況相對(duì)較好，他們?cè)谠O(shè)計(jì)傳感器探頭時(shí)均未考慮中國(guó)天然水體多膠質(zhì)含量較高的情況。在此前多個(gè)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)中，進(jìn)口傳感器探頭在多膠質(zhì)含量較高的天然水體中約六個(gè)月，水中的多膠質(zhì)就會(huì)影響水質(zhì)傳感器的測(cè)量精度，甚至使傳感器無(wú)法完成測(cè)量。同時(shí)由于此影響過(guò)程緩慢，往往認(rèn)為由水質(zhì)參數(shù)的變化而引起，忽視了水體中多膠質(zhì)問(wèn)題的影響。雖然目前已有水質(zhì)監(jiān) 控站，但對(duì)于中國(guó)多膠質(zhì)水質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)分析的研 究較少，設(shè)計(jì)者均在試用階段使用，水中的多膠質(zhì)尚未對(duì)傳感 器探頭的測(cè)量精度造成較大影響，測(cè)量精度符合要求，但對(duì) 長(zhǎng)期無(wú)人測(cè)量的后期跟蹤研究較少，導(dǎo)致在長(zhǎng)期實(shí)際使用過(guò)程 中，傳感器不適應(yīng)中國(guó)多膠質(zhì)水質(zhì)的國(guó)情，使測(cè)量精度無(wú)法達(dá) 到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，甚至測(cè)量得到的粗大數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法 正常工作。

研發(fā)天然水體多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)， 能對(duì)水質(zhì)的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，解決傳感器因?yàn)橹袊?guó)水質(zhì)多膠質(zhì)含量較高而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，從而獲得長(zhǎng)期、穩(wěn)定、真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。利用無(wú)線傳感網(wǎng)及移動(dòng)通信網(wǎng)對(duì)大范圍水域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，如檢測(cè)氨氮含量，從而在淡水養(yǎng)殖業(yè)中對(duì)投放的飼料進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)智能控制， 提高生產(chǎn)效率，節(jié)省成本，減少污染。除水產(chǎn)養(yǎng)殖外，本系統(tǒng)也能在水環(huán)境監(jiān)控過(guò)程中對(duì)污染源及污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為政府決策提供參考依據(jù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要根據(jù)太湖水監(jiān)測(cè)需要，依托江蘇省科技廳政策引導(dǎo)類計(jì)劃（產(chǎn)學(xué)研合作） 前瞻性研究項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套解決中國(guó)天然水體多膠質(zhì)問(wèn)題的在線監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天然水體水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量和預(yù)警，并能實(shí)現(xiàn)各類水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化。智能養(yǎng)殖中的天然水體多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

把天然水域分成若干水域，根據(jù)每個(gè)水域大小設(shè)置若干個(gè)多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站、自動(dòng)飼料機(jī)、增氧泵和無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)調(diào)器、嵌入式系統(tǒng)和GPRS 模塊。本水域采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè) GPRS DTU 傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及大數(shù)據(jù)分析，得到水質(zhì)的精確參數(shù)和變化趨勢(shì)，通過(guò)自動(dòng)飼料機(jī)、增氧泵等控制設(shè)備來(lái)自動(dòng)控制水產(chǎn)養(yǎng)殖中的飼料自動(dòng)投放及水質(zhì)參數(shù)控制。用戶可以利用手持設(shè)備或電腦通過(guò)ETHERNET 訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和對(duì)被控設(shè)備的控制。通過(guò)對(duì)天然水體多參水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控不僅實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖和水環(huán)境的智能化控制，同時(shí)也能為可能產(chǎn)生的水環(huán)境危機(jī)及時(shí)預(yù)警。

系統(tǒng)中，多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站及天然水體多膠質(zhì)對(duì)傳感器探頭的影響是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的穩(wěn)定可靠工作決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站

水質(zhì)情況由多個(gè)主要水質(zhì)參數(shù)共通構(gòu)成，如pH 值、溶解氧、溫度、電導(dǎo)率等，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，還需測(cè)量氨氮等參數(shù)。為了提高測(cè)量效率，系統(tǒng)設(shè)置了溫度、pH 值、溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮傳感器探頭，對(duì)水質(zhì)的 5 個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。抽取采

樣清洗式多參數(shù)水質(zhì)傳感器如圖 2 所示。

在多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站設(shè)計(jì)過(guò)程中，解決中國(guó)天然水體多膠質(zhì)物對(duì)水質(zhì)傳感器探頭的影響是研究的重點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然水體中多膠質(zhì)物的研究較少（多膠質(zhì)的成份、形成機(jī)理、消除方法等）。為了能在較短的時(shí)間內(nèi)，采用較小的成本消除天然水體中多膠質(zhì)對(duì)傳感器探頭的影響，文中采用抽取采樣清洗式測(cè)量方式，使傳感器探頭受天然水體多膠質(zhì)物影響降至最低，同時(shí)，借助微型水凈化系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)切角為 20 的多級(jí)減壓微量霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器探頭的自潔，20 旋轉(zhuǎn)切角流道最大化保證了出口狀態(tài)的霧化效果，從而保證了多參數(shù)傳感器探頭長(zhǎng)期保持潔凈，使多膠質(zhì)物體對(duì)測(cè)量精度的影響降至最小，使測(cè)量參數(shù)保持準(zhǔn)確，同時(shí)，多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站的價(jià)格約為進(jìn)口價(jià)格的十分之一。經(jīng)過(guò)在太湖水中的實(shí)踐，該方法至少能使傳感器探頭保持二年以上的自潔，初步解決了中國(guó)天然水體水質(zhì)檢測(cè)中存在的探頭受多膠質(zhì)影響的問(wèn)題。系統(tǒng)核心部件多級(jí)減壓微量霧化噴嘴已獲國(guó)家發(fā)明專利，并同時(shí)申請(qǐng)了美國(guó)專利，且已在美國(guó)實(shí)審公開。

多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站的控制系統(tǒng)采用基于ARM9的S3C2440進(jìn)行，具有價(jià)位低、性能 - 功耗比高、接口和部件豐富等特點(diǎn)，同時(shí)它有 32位嵌入式CPU，能較好地滿足自動(dòng)水質(zhì)測(cè)量及無(wú)線通信等要求。由于有些自動(dòng)水質(zhì)測(cè)量站遠(yuǎn)離陸地，有線供電成本較高，故系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電板與蓄電池構(gòu)成不間斷供電系統(tǒng)（UPS），為測(cè)量站提供電源。水質(zhì)采樣為間歇式工作，一個(gè)小型太陽(yáng)能電池板便能滿足系統(tǒng)的用電需求， 即使在陰雨天蓄電池也能保證設(shè)備穩(wěn)定工作一周時(shí)間。

如果水域面積較大，為了提高測(cè)量的精度和進(jìn)行水質(zhì)情況預(yù)警，在同一片水域中需設(shè)置多個(gè)自動(dòng)測(cè)量站。對(duì)處于同一水域中的多個(gè)自動(dòng)測(cè)量站通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)把測(cè)量數(shù)據(jù)匯聚至嵌入式終端，通過(guò)GPRS無(wú)線遠(yuǎn)距離通訊技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。通過(guò)ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)降低系統(tǒng)的通信成本與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站如圖 3所示。

圖 3 多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站

3.2 自動(dòng)飼料機(jī)、增氧泵

自動(dòng)飼料機(jī)、增氧泵需較大的功率，為方便漁民投放飼料， 一般安裝在近岸水域。這主要用于人工圍網(wǎng)養(yǎng)殖，而大面積的水域養(yǎng)殖為非人工養(yǎng)殖，因此綜合考慮各因素，故不設(shè)置自動(dòng)飼料機(jī)和增氧泵類的設(shè)備。自動(dòng)飼料機(jī)和增氧泵通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)與嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，嵌入式網(wǎng)關(guān)接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心的控制命令，再由網(wǎng)關(guān)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)（WSN）發(fā)至自動(dòng)飼料機(jī)和增氧泵，根據(jù)命令完成所需飼料的投放和增氧泵的開啟， 實(shí)現(xiàn)飼料和增氧的自動(dòng)化。

3.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的核心，首先對(duì)各測(cè)量站傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)存儲(chǔ)的大數(shù)據(jù)采用面向數(shù)據(jù)流的柔性漂移支持向量機(jī)（FD-SVM）進(jìn)行分析。此算法對(duì)水質(zhì)監(jiān)控等數(shù)據(jù)模型而言會(huì)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)流無(wú)限增長(zhǎng)、時(shí)序變化和潛在概念漂移的非靜態(tài)數(shù)據(jù)能有效提升對(duì)數(shù)據(jù)的分類性能，適應(yīng)更靈活的漂移策略。

通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，得到各子系統(tǒng)的控制參數(shù)，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)和無(wú)線傳感網(wǎng)，最終把控制參數(shù)發(fā)送至自動(dòng)飼料機(jī)和增氧泵等設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖和水質(zhì)參數(shù)的智能控制。在數(shù)據(jù)中心，綜合氣溫、氣壓等天氣預(yù)報(bào)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析， 能實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖和水環(huán)境污染等危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警，并實(shí)時(shí)控制水體參數(shù)，確保水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全，也能為環(huán)保主管部門決策提供參考依據(jù)。

數(shù)據(jù)中心設(shè)置IIS 等服務(wù)器程序，用戶可通過(guò)電腦瀏覽器或各類手持終端上的客戶端程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制。終端控制軟件測(cè)量界面如圖 4 所示。

圖 4 終端監(jiān)控軟件

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能較長(zhǎng)時(shí)間的解決中國(guó)天然水體中多膠質(zhì)物對(duì)傳感器探頭的影響，確保長(zhǎng)期測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)組建無(wú)線傳感網(wǎng)，利用 3G、4G 或其它移動(dòng)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)大范圍水域的測(cè)量。對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量過(guò)程中獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)淡水養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的控制。該系統(tǒng)降低了漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)管部門對(duì)水產(chǎn)品的溯源追蹤。利用大數(shù)據(jù)分析，

能對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警并控制，降低了養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)， 保障了漁民的財(cái)產(chǎn)安全。目前系統(tǒng)僅工作二年，更長(zhǎng)期的系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等測(cè)試尚缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后續(xù)將進(jìn)一步跟蹤系統(tǒng)的工作情況，包括探頭自潔情況，微型凈水過(guò)濾系統(tǒng)等， 為系統(tǒng)的維護(hù)和改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。