物聯(lián)網(wǎng)技術在水環(huán)境實時監(jiān)控中應用
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摘要:本文介紹了我國水環(huán)境保護的幾個階段及電子信息技術在水質(zhì)監(jiān)測方面的應用現(xiàn)狀，提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術改造現(xiàn)有設備，實現(xiàn)水質(zhì)的實時監(jiān)測，防止水污染惡性事故的發(fā)生。文中給出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。
關鍵詞:水環(huán)境；水污染；實時監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)
1引言
自古以來，人類聚集在水源附近發(fā)展出形形色色的文明。一些文明不斷發(fā)展壯大，逐漸成長為今天占據(jù)優(yōu)勢地位的文明形態(tài)；也有一些文明曇花一現(xiàn)，很快消失在歷史的長河中。探究其消失的原因，除戰(zhàn)爭外，大多數(shù)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?，F(xiàn)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(yè)污染。由于重視不夠、經(jīng)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(tài)環(huán)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(jīng)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(zhì)優(yōu)良（Ⅰ～Ⅲ類）斷面比例達到83%以上[2]。通過網(wǎng)絡搜索引擎可以發(fā)現(xiàn)，大面積的水污染事件都是發(fā)生在2018年之前，2018年之后小范圍的水污染事件偶有發(fā)生。這表明經(jīng)過長期的治理，水污染防治已經(jīng)初見成效。另外一方面也應該注意到，今年以來發(fā)生的幾起污染案件都不是由環(huán)保部門首先發(fā)現(xiàn)，而是由于群眾舉報被曝光的。這表明環(huán)保部門還缺乏足夠的人力和技術手段來實時監(jiān)測水質(zhì)。因此，引進更多的技術手段對環(huán)境進行監(jiān)測勢在必行。
2當前水資源保護技術現(xiàn)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(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究。目前西方發(fā)達國家普遍應用現(xiàn)代信息技術手段，實現(xiàn)了水質(zhì)的自動取樣、監(jiān)測，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，如全球海洋監(jiān)測系統(tǒng)GOOS、英國特倫特河預警系統(tǒng)等。我國自1980年開始，陸續(xù)在全國重點水域建設70多個自動水質(zhì)監(jiān)測站，監(jiān)測溶解氧、電導率、PH值、水溫等數(shù)據(jù)。目前已形成了包括地表水環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)、地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)、飲用水源地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)、水污染防治專項規(guī)劃水體環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)、地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)和錳三角地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)等6個子網(wǎng)在內(nèi)的國家水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)[3]。目前，我國自動水質(zhì)監(jiān)測站還存在規(guī)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(shù)據(jù)發(fā)布范圍小，公眾難以獲得與自身密切相關的水質(zhì)數(shù)據(jù)[4]。隨著無線通信技術及物聯(lián)網(wǎng)技術的長足發(fā)展，對原有設備進行改造，建設基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水質(zhì)監(jiān)測實時系統(tǒng)，打破水質(zhì)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(xiàn)“魚翔淺底”的美好愿景。
3水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，由傳感控制層、傳輸層和應用層構(gòu)成。其中，傳感控制層使用各種智能水質(zhì)傳感器或?qū)υ兴|(zhì)傳感器進行智能化改造后，實現(xiàn)水質(zhì)的自動檢測和實時數(shù)據(jù)上傳；傳輸層用于部署數(shù)據(jù)庫以及web服務器，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)頁和微信小程序依據(jù)權(quán)限查看監(jiān)控地點的水質(zhì)狀況。目前國內(nèi)自動監(jiān)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)電流峰值，電流峰值出現(xiàn)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(chǎn)生PWM脈沖經(jīng)H橋驅(qū)動電路、低通濾波器濾波后產(chǎn)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(fā)生從富集到溶解的轉(zhuǎn)變過程。同時IV轉(zhuǎn)換電路測量溶液中電流，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路送MCU處理。MCU檢出電流出現(xiàn)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(jīng)NB-IOT模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)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(diào)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(gòu)成高增益跨導放大器。測量數(shù)據(jù)經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)對物質(zhì)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(shù)金屬元素和有機物。分光光度法測量系統(tǒng)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(chǎn)生的廢液排出。氙燈發(fā)出的連續(xù)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(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)接口電路
如圖6所示，重金屬離子監(jiān)測數(shù)據(jù)、PH值、溶解氧、溫度、電導率、有機物含量數(shù)據(jù)等經(jīng)AD采樣后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進入CPU進行處理，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即喚醒NB-IOT模塊，將報警數(shù)據(jù)發(fā)數(shù)據(jù)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(lián)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(jié)論
采用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以滿足水質(zhì)監(jiān)測的實時性要求，可以在水質(zhì)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(fā)生。
參考文獻
[1]李素清.對人類文明興衰與生態(tài)環(huán)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(zhì)量狀況持續(xù)好轉(zhuǎn).
[3]嵇曉燕,等.國家水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡發(fā)展歷程與展望.環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2014,26(06):1-4
[4]徐劍秋,等.加強水環(huán)境監(jiān)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(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(yè)技術學院信息技術學院
