李素平 尤容容 蔣治國 許 明 毛萬中

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

基于傳感器和模糊算法的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李素平 尤容容 蔣治國 許 明 毛萬中

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

文章針對(duì)巢湖水質(zhì)污染問題，結(jié)合我國水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建了基于Zigbee無線傳感器的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行水質(zhì)測(cè)評(píng)，并將巢湖水質(zhì)狀態(tài)通過APP的形式展示出來。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的智能化監(jiān)測(cè)，能夠有效提升水質(zhì)監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效率。水質(zhì)狀態(tài)以APP的形式展示，具有較強(qiáng)的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

Zigbee無線傳感器；湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；APP

1 引言

近年來水污染的問題日漸突出，作為五大淡水湖之一的巢湖因?yàn)楣I(yè)化的發(fā)展水質(zhì)污染也越來越嚴(yán)重。因?yàn)樗|(zhì)污染宣傳力度不夠，民眾對(duì)巢湖水質(zhì)污染的程度及相關(guān)情況了解較少，所以保護(hù)巢湖水資源的意識(shí)比較淡薄。因此設(shè)計(jì)出一款可以讓市民隨時(shí)了解巢湖水質(zhì)污染情況的APP顯得尤為重要。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究概述

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

據(jù)了解，國外在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面起步較早，從20世界中葉以來，美國、英國、日本等國家先后建立了水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。雖然我國的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也歷經(jīng)了多個(gè)主要階段，從最初的人工水質(zhì)分析階段到使用監(jiān)測(cè)儀器階段，再到如今的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)階段，但是我國在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面和其他國家相比，依然存在著一定的差距。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有智能化程度高、信息時(shí)效強(qiáng)、覆蓋區(qū)域廣、支持多路傳感器數(shù)據(jù)同步采集、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[2]，其在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外已開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)方面的應(yīng)用研究。

2.2 巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究意義

采用無線傳感器進(jìn)行信息傳送，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，改變了傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用儀表結(jié)合人工操作的弊端，使監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域變廣，可擴(kuò)展性變強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反映巢湖水環(huán)境動(dòng)態(tài)變化[3-4]。市民只需在手機(jī)上安裝可以顯示水質(zhì)狀態(tài)的軟件，即可隨時(shí)隨地了解巢湖水質(zhì)的污染情況。此外，在此類APP客戶端上會(huì)推薦一些改善水質(zhì)的措施，讓市民改善水質(zhì)有法可行。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 水質(zhì)環(huán)境參數(shù)

衡量水污染的指標(biāo)主要有溫度、PH值、溶氧量（DO）、電導(dǎo)率、濁度、鹽度、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、總磷、總氮和重金屬離子等[5]。在本文系統(tǒng)中以氨氮、溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（COD）為檢測(cè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用靈活，能對(duì)大范圍水域?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能。同時(shí)針對(duì)巢湖水質(zhì)的污染問題，在實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)巢湖水質(zhì)等級(jí)的基礎(chǔ)上，以水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等級(jí)作為數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)出了一款巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)APP。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)測(cè)中心和用戶界面APP組成。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有水質(zhì)數(shù)據(jù)采集功能，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)[6-7]。傳感器可以放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，以自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到信息并進(jìn)行分析處理，然后把數(shù)據(jù)傳送到本地監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心軟件對(duì)接收的數(shù)據(jù)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，此后監(jiān)測(cè)中心會(huì)通過GPRS模塊接入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP軟件上，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 無線傳感器模塊

目前已經(jīng)有很多類型的化學(xué)傳感器，能夠檢測(cè)24種水質(zhì)參數(shù)，遵照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB3838-2016》，本文選擇氨氮、溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（COD）3個(gè)參數(shù)的傳感單元模塊作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。傳感器感知模塊中，各傳感單元模塊采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)奖镜貦z測(cè)中心的處理器。傳感器各模塊之間協(xié)調(diào)工作，共同完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，可以用于采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)。將傳感器節(jié)點(diǎn)分布于被監(jiān)測(cè)區(qū)域，動(dòng)態(tài)地組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，用于采集水中的氨氮、溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8]。由于Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其通信距離較短，因此設(shè)備設(shè)計(jì)成可自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率。為進(jìn)行實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，設(shè)備會(huì)一直呈現(xiàn)活躍狀態(tài)。

可那時(shí)的李莉不這么認(rèn)為，她覺得她和許峰的相戀，是互相驚艷了時(shí)光，他看見她，心如止水；她看見他，如見繁華。

匯聚節(jié)點(diǎn)是由若干個(gè)具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其主要作用是上傳從傳感器節(jié)點(diǎn)上接收到的水質(zhì)參數(shù)，便于后期進(jìn)行水質(zhì)等級(jí)檢測(cè)，并將得到的水質(zhì)結(jié)果傳送給本地監(jiān)測(cè)中心，從而把水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)在APP中[9]。

4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)檢測(cè)算法

本地監(jiān)測(cè)中心使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)來自于被監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集模塊。水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)取自巢湖多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中選取的觀測(cè)點(diǎn)有黃麓水域、中廟水域和龜山公園水域。根據(jù)該區(qū)域?qū)嶋H情況選取氨氮、溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（COD）3項(xiàng)指標(biāo)作為參評(píng)因子，水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)算法

系統(tǒng)采用T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)評(píng)價(jià)算法。T-S模糊系統(tǒng)是一種自適應(yīng)能力很強(qiáng)的模糊系統(tǒng)，該模型不僅能自動(dòng)更新，而且能不斷修正模糊子集的隸屬度。T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為輸入層、模糊化層、模糊規(guī)則計(jì)算層和輸出層。輸入層與輸入向量連接，節(jié)點(diǎn)數(shù)與輸入向量維數(shù)相同。模糊化層采用隸屬度函數(shù)對(duì)輸入向量進(jìn)行模糊化得到模糊隸屬度。模糊規(guī)則計(jì)算層將得到的隸屬度進(jìn)行模糊計(jì)算，由模糊計(jì)算結(jié)果判定模糊模型的分類。

基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)算法如圖2所示[10]，其中模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)訓(xùn)練樣本的輸入維數(shù)、輸出維數(shù)確定網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)初始化后用訓(xùn)練樣本訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巢湖水質(zhì)，訓(xùn)練樣本和檢測(cè)樣本均來自傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。

圖2 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)維數(shù)算法流程圖

4.2 算法性能測(cè)試與分析

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)中取巢湖水體樣本對(duì)巢湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采樣取水口為巢湖船廠水域。采樣時(shí)間為2015年和2016年兩個(gè)全年，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣頻率為每小時(shí)一次，對(duì)每周的數(shù)據(jù)取均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共計(jì)104組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，采樣水體用氨氮、溶氧量（DO）、化學(xué)需氧量（COD）3項(xiàng)指標(biāo)作為參評(píng)因子。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本水質(zhì)檢測(cè)等級(jí)如圖3所示，其網(wǎng)絡(luò)反復(fù)訓(xùn)練100次。

圖3 訓(xùn)練樣本水質(zhì)檢測(cè)

圖3為訓(xùn)練樣本水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果圖，檢測(cè)樣本來自于巢湖船廠水域，可以看到基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)算法用于檢測(cè)水質(zhì)等級(jí)的準(zhǔn)確率很高。在104組樣本數(shù)據(jù)中只有第38組數(shù)據(jù)和第90組數(shù)據(jù)有一個(gè)等級(jí)的偏差，其余全部正確，正確率為98%，因此可以采用訓(xùn)練完成的該網(wǎng)絡(luò)對(duì)巢湖水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行測(cè)評(píng)。

圖4 測(cè)試樣本水質(zhì)檢測(cè)

通常情況下，巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣頻率為每小時(shí)一次，故對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于每類水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，取每月水質(zhì)數(shù)據(jù)的均值作為待測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為檢驗(yàn)?zāi)：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)算法，用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)巢湖黃麓水域和中廟水域2015年到2016年兩個(gè)全年各月份水質(zhì)等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4中橫坐標(biāo)代表2015年到2016年的各個(gè)月份，共24個(gè)月份?？梢钥吹剑S麓水域和中廟水域水質(zhì)等級(jí)基本穩(wěn)定在2級(jí)和3級(jí)之間，2016年春季兩個(gè)水域的水質(zhì)整體上優(yōu)于2015年的水質(zhì)表現(xiàn)，不過在夏季尤其是7、8月份，水質(zhì)狀況較差。這是由于7、8月份氣溫較高，水體富營養(yǎng)化，氨氮含量和化學(xué)需氧量 (COD)上升，導(dǎo)致水質(zhì)偏差。進(jìn)入12月份的冬季之后，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象得到抑制，水質(zhì)轉(zhuǎn)好。

表1中時(shí)間一欄中數(shù)字代表2015年到2016年的24個(gè)月份。表中數(shù)據(jù)與基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)測(cè)評(píng)等級(jí)一致，說明了該算法的有效性。

表1 2015年水樣等級(jí)

表2 2016年水樣等級(jí)

5 用戶界面APP設(shè)計(jì)

當(dāng)今社會(huì)民眾多使用各類APP客戶端方便日常生活。為使人們能夠直觀形象地了解巢湖水質(zhì)狀況，便于安排休閑旅行，設(shè)計(jì)了一款巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)APP。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)APP接收傳感器模塊和本地監(jiān)測(cè)中心送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)后臺(tái)處理后可以將水質(zhì)狀態(tài)在APP界面上非常直觀地呈現(xiàn)出來。

圖5 APP實(shí)現(xiàn)流程圖

巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)APP包括首頁主界面、評(píng)界面、議界面和個(gè)人中心四個(gè)功能界面及，可以在四個(gè)界面間自行切換。首頁主界面主要體現(xiàn)了巢湖湖心湖畔有特色的三個(gè)旅游景點(diǎn)的位置、概況介紹、天氣、風(fēng)速等信息。評(píng)界面用于展示巢湖各個(gè)景點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)并對(duì)比顯示本期水質(zhì)數(shù)據(jù)與上期水質(zhì)數(shù)據(jù)。議界面包含各個(gè)景點(diǎn)區(qū)域的水質(zhì)等級(jí)分別為優(yōu)、良、中和差時(shí)的環(huán)保建議。對(duì)于環(huán)保措施，每個(gè)人都可以在APP客戶端的個(gè)人中心發(fā)表看法，積極行動(dòng)起來，讓巢湖在藍(lán)天下水清湖美到永遠(yuǎn)。

圖6 APP首頁和個(gè)人中心

圖7 APP評(píng)界面和議界面

6 結(jié)束語

本文結(jié)合Zigbee無線傳感器技術(shù)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巢湖水質(zhì)狀態(tài)，該方案可用于解決偏遠(yuǎn)水域水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)問題。巢湖水質(zhì)狀態(tài)以APP的形式展示，可以使更多的巢湖市民隨時(shí)關(guān)注巢湖水質(zhì)狀況，具有綠色環(huán)保特性和較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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A STUDY ON THE WATER QUALITY MONITORING SYSTEM BASED ON SENSOR AND FUZZY ALGORITHM

LI Su-ping YOU Rong-rong JIANG Zhi-guo XU Ming MAO Wan-zhong
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

The lake water quality monitoring system based on Zigbee wireless sensor is constructed in view of the Chaohu Lake water pollution and the current situation of water quality monitoring technology in China.The fuzzy neural network algorithm is used for water quality assessment and Chaohu Lake water quality status is displayed in the form of APP.It is proved that the system can realize the intelligent monitoring of the water quality,which can effectively improve the quality and efficiency of the water quality monitoring.Water quality displayed in the form of APP is of strong popularization and application value.

Zigbee wireless sensor； Lake water quality monitoring； Fuzzy neural network； APP

TP14

A

：1672-2868（2017）03-0021-06

責(zé)任編輯：陳 侃

2017-04-20

皖維科技創(chuàng)新孵化基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：WWZR-201604）；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2017A449）

李素平（1982-），女，山東聊城人。巢湖學(xué)院，講師。研究方向：智能信號(hào)處理。