物联网技术在水环境实时监控中应用

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摘要:本文介绍了我国水环境保护的几个阶段及电子信息技术在水质监测方面的应用现状，提出利用物联网技术改造现有设备，实现水质的实时监测，防止水污染恶性事故的发生。文中给出了基于物联网技术的水质实时监测系统的结构和原理。

关键词:水环境；水污染；实时监测；物联网

1引言

自古以来，人类聚集在水源附近发展出形形色色的文明。一些文明不断发展壮大，逐渐成长为今天占据优势地位的文明形态；也有一些文明昙花一现，很快消失在历史的长河中。探究其消失的原因，除战争外，大多数与水资源的衰竭有关。如古代巴比伦文明后期由于不合理的灌溉造成土地盐渍化和灌溉渠道淤积的严重后果而走向灭绝；撒哈拉文明则由于季风雨带的变迁和人类过度放牧及烧荒毁林的行为，消失在漫漫黄沙中。现在的撒哈拉沙漠仍在以每年6km的速度吞噬着中非的沃土[1]。历史的教训说明，过度地向大自然索取而不知保护水源，人类必将走向自我灭亡的不归路。我国水资源的保护大致可以划分为2个阶段。建国初期到2006年为第一个阶段。这一阶段以点源治理为主，重点防治工业污染。由于重视不够、经验不足，没有解决污染跨界问题，重大水污染事件屡见不鲜，生态环境逐步恶化。2006年以后为第二阶段。这一阶段重点解决流域污染问题，明确地方政府在防污、治污方面的责任，取得了很好的效果。经过多年治理，截止2020年12月，在我国1940个国家地表水考核断面中，水质优良（Ⅰ～Ⅲ类）断面比例达到83%以上[2]。通过网络搜索引擎可以发现，大面积的水污染事件都是发生在2018年之前，2018年之后小范围的水污染事件偶有发生。这表明经过长期的治理，水污染防治已经初见成效。另外一方面也应该注意到，今年以来发生的几起污染案件都不是由环保部门首先发现，而是由于群众举报被曝光的。这表明环保部门还缺乏足够的人力和技术手段来实时监测水质。因此，引进更多的技术手段对环境进行监测势在必行。

2当前水资源保护技术现状

为了应对日益严重的污染，自1959以来，美、日、英、法、澳相继展开了水质监测系统的研究。目前西方发达国家普遍应用现代信息技术手段，实现了水质的自动取样、监测，并通过网络将数据传送到监控中心，如全球海洋监测系统GOOS、英国特伦特河预警系统等。我国自1980年开始，陆续在全国重点水域建设70多个自动水质监测站，监测溶解氧、电导率、PH值、水温等数据。目前已形成了包括地表水环境质量自动监测网、地表水环境质量监测网、饮用水源地环境质量监测网、水污染防治专项规划水体环境质量监测网、地下水环境质量监测网和锰三角地区水环境质量监测网等6个子网在内的国家水环境质量监测网[3]。目前，我国自动水质监测站还存在规划不尽合理的问题：有的地方站点重叠，有的地方则几乎一片空白；数据发布范围小，公众难以获得与自身密切相关的水质数据[4]。随着无线通信技术及物联网技术的长足发展，对原有设备进行改造，建设基于物联网技术的水质监测实时系统，打破水质信息孤岛，可以有效防止水资源领域的腐败犯罪，震慑不法厂商，最终实现“鱼翔浅底”的美好愿景。

3水质实时监测系统

基于物联网技术的水质实时监测系统如图1所示，由传感控制层、传输层和应用层构成。其中，传感控制层使用各种智能水质传感器或对原有水质传感器进行智能化改造后，实现水质的自动检测和实时数据上传；传输层用于部署数据库以及web服务器，用于实现数据的接收存储以及对外提供web服务；应用层可以在PC端和移动设备上通过web网页和微信小程序依据权限查看监控地点的水质状况。目前国内自动监测站通常检测PH值、溶解氧、电导率、温度等[5]。智能传感器可以采用NB-IOT技术实现数据的实时上传。

3.1重金属离子测量

阳极溶出伏安法原理：首先以一定的反向电压对溶液进行电解，重金属离子会富集在阳极上，然后电压向正方向扫描，富集在阳极上的重金属会随阳极电压的增加溶解而出现电流峰值，电流峰值出现的位置和金属种类相关，峰值则和重金属离子的浓度相关。阳极溶出伏安法重金属离子测量原理如图2所示。MCU产生PWM脉冲经H桥驱动电路、低通滤波器滤波后产生由负到正的扫描电压，施加到工作电极上。这是溶液中金属离子发生从富集到溶解的转变过程。同时IV转换电路测量溶液中电流，经AD转换电路送MCU处理。MCU检出电流出现峰值时的电压，通过比较、计算，获得重金属离子的种类和浓度，然后将计算记过经NB-IOT模块传输到数据服务器。3.2PH值、溶解氧、温度测量溶解氧测量电路及温度测量电路与图3类似，将PH电极更换为溶解氧电极或NTC电极，并适当调整即可。

3.3电导率的测量

电导率在一定程度上可以反映水中酸、碱、盐等离子的浓度，以及水被污染的程度。电导率测量电路如图4所示。为保证精度，U1、R2和C2构成高增益跨导放大器。测量数据经NB-IOT模块送服务器处理或进一步处理。

3.4有机物的测量

有机物的测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实验室测定，且产生的废液可能造成二次污染问题，不适用于在线测量。分光光度法可以进行技术改造，实现有机物含量的在线测量。分光光度法是利用不同物资对特定频率的光照有较强吸收作用这一特性来实现对物质含量的测定。按照使用光源的频率可以分为可见光、红外、紫外分光光度法。分光光度法可以测定大多数金属元素和有机物。分光光度法测量系统如图5所示。蠕动泵抽取样品进入样品盒，同时将上次测量产生的废液排出。氙灯发出的连续频段信号照射到样品上，特定频率的光波被吸收。透视的光线照射到分光光栅上，散射为不同频率的单色光，反射到CCD元件上。CCD将采样数据发送到CPU，由CPU进行处理，分析吸收峰所在的位置和强度，进而给出有机物的种类和浓度。

3.5NB-IOT数据接口电路

如图6所示，重金属离子监测数据、PH值、溶解氧、温度、电导率、有机物含量数据等经AD采样后转化为数字量进入CPU进行处理，若发现数据异常，立即唤醒NB-IOT模块，将报警数据发数据中心。NB-IOT模块采用利尔达的NB86模块。该模块符合3GPP标准，支持Band1、Band3、Band5、Band8、Band20、Band28频段，可以选用中国电信、移动、联通的NB-IOT卡。它具有体积小、功耗低、抗干扰能力强的特点。

4结论

采用物联网技术，可以满足水质监测的实时性要求，可以在水质有恶化倾向时报警，方便管理部门提前介入，避免恶性水污染事故的发生。

参考文献

[1]李素清.对人类文明兴衰与生态环境关系的反思.太原师范学院学报（社会科学版）,2004,3(9):17-19

[2]2020年全国地表水和空气质量状况持续好转.

[3]嵇晓燕,等.国家水环境质量监测网络发展历程与展望.环境监测管理与技术,2014,26(06):1-4

[4]徐剑秋,等.加强水环境监测，为长江大保护提供技术支撑.水利水电快报,2016,37(11):1-2

[5]吴秋瑜.基于河流无线传感网络的水环境监测系统研究[硕士学位论文].广西大学,南宁,2020

作者:汤荣生 单位:泰州职业技术学院信息技术学院