喬雄輝，閔 雄

（1.遠(yuǎn)光軟件股份有限公司，廣東珠海 519000；2.廣東平方科技有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

根據(jù)國(guó)家2016 年12 月11 日印發(fā)并實(shí)施的《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》，珠海市政府隨即印發(fā)《珠海市全面推行河長(zhǎng)制工作方案》的通知，并啟動(dòng)《珠海市全面推行河長(zhǎng)制“一河一策”實(shí)施方案》的編制工作，旨在基于通過(guò)布署物聯(lián)網(wǎng)在線式的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程河涌（渠）道水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及監(jiān)管，形成管轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)的大數(shù)據(jù)。依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析，實(shí)現(xiàn)管轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)變化規(guī)律的可視化管理，從而提供科學(xué)的決策數(shù)據(jù)支撐[1-2]。

珠海市轄區(qū)內(nèi)的河涌（渠）道分布較廣?，F(xiàn)行主要的管理手段是依靠人工定期巡查及臨時(shí)從相關(guān)河涌（渠）道中抽檢采樣進(jìn)行管理，即人工攜帶采樣桶到現(xiàn)場(chǎng)采樣，采取的水樣裝瓶后再送到檢測(cè)中心化驗(yàn)分析。這種傳統(tǒng)的人工作業(yè)方法因人而異，采樣作業(yè)方式各異，現(xiàn)場(chǎng)水位也不統(tǒng)一，常常遇到水太淺無(wú)法取樣，水太深又無(wú)法統(tǒng)一采樣標(biāo)準(zhǔn)。特別是水位變化較快的河涌（渠）道，從而嚴(yán)重影響水樣的代表性。另外，受限于人力及交通原因，現(xiàn)有檢測(cè)的頻率及密度次數(shù)有限，導(dǎo)致較大的監(jiān)管實(shí)效性問(wèn)題。另外，在湖泊中的取樣還伴有人身安全風(fēng)險(xiǎn)，給水質(zhì)監(jiān)管及河涌（渠）管養(yǎng)提升工作帶來(lái)了極大的困擾。

國(guó)內(nèi)目前也有一些研發(fā)生產(chǎn)在線水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的廠家，但大部分的產(chǎn)品是岸邊站房的形式，體積大且需要配套土建工程。一般是先建造一座站房，將相關(guān)設(shè)備安裝在室內(nèi)，并配備相關(guān)溫控及排水清洗等管道系統(tǒng)。工程實(shí)施和安裝較為復(fù)雜，費(fèi)用投資成本較大，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施場(chǎng)地環(huán)境有一定要求，推廣使用存在一定的局限性。

1 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)+傳感器技術(shù)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以多參數(shù)在線水質(zhì)檢測(cè)傳感器為核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)（包括軟件）技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、流體取樣技術(shù)等高度集成的一套完整的自動(dòng)分析系統(tǒng)。根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)的要求，快速地對(duì)水樣進(jìn)行自動(dòng)采樣并檢測(cè)水溫、分析溶解氧（DO）、氨氮、pH、化學(xué)需氧量（COD）、濁度、氧化還原電位（ORP）7 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水位高度和降雨量2個(gè)輔助參數(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取河涌（渠）道的水質(zhì)狀態(tài)信息。超低功耗設(shè)計(jì)為工作狀態(tài)小于150 mA、休眠小于20 μA，定時(shí)采集并支持遠(yuǎn)程喚醒。支持市電接入、太陽(yáng)能+鋰電池供電，在無(wú)市電情況下支持全天的在線監(jiān)測(cè)工作。報(bào)送方式采用自報(bào)、自報(bào)-確認(rèn)、應(yīng)答3種兼容的混合式工作模式，同時(shí)兼?zhèn)鋵?duì)設(shè)備電源電壓，工作環(huán)境溫度及系統(tǒng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3-6]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作流程

此系統(tǒng)主要由服務(wù)器端，嵌入式端和執(zhí)行設(shè)備端3 層架構(gòu)組成。其中服務(wù)器端包括接收模塊、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)模塊、展示模塊、存儲(chǔ)模塊、設(shè)備端管理模塊和日志。嵌入式端主要包含主控板和核心板。主控板由執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)采集、通信交互控制模塊組成；核心板由服務(wù)器通信、配置和升級(jí)文件及擴(kuò)展功能模塊組成。執(zhí)行設(shè)備為具體的底層采樣分析檢測(cè)設(shè)備，主要包括取水泵、電控水閥、水流檢測(cè)開(kāi)關(guān)及相關(guān)傳感器。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體工作是以主控板為核心進(jìn)行流程控制。主控板根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需求控制執(zhí)行設(shè)備，完成水位檢測(cè)，同時(shí)判斷是否符合最低取樣標(biāo)準(zhǔn)，然后進(jìn)行抽水采樣、沉淀、檢測(cè)，最后排水。水質(zhì)檢測(cè)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果在主控板上緩存，主控板定時(shí)啟動(dòng)核心板將本地緩存的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)核心板上傳到服務(wù)端。用戶（管控中心）可在服務(wù)器端查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)工作或業(yè)務(wù)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置或軟件更新操作[7-9]。

3 系統(tǒng)安裝及使用情況

本系統(tǒng)其中的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2019 年12 月15 日在珠海灣仔海鮮街排洪渠施工完成，并于2019年12月19日正式開(kāi)始投入運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)如下：檢測(cè)周期為20 min/次，最低取樣水位為10 cm。即當(dāng)水位低于10 cm時(shí)，不進(jìn)行采樣取水作業(yè)。按此工作頻率，理論上每天有72組數(shù)據(jù)，每周有近500組數(shù)據(jù)。和之前每周2次固定采樣和每月2次的隨機(jī)抽檢采樣的人工作業(yè)方式相比，現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行一周的數(shù)據(jù)即相當(dāng)于人工作業(yè)全年的數(shù)據(jù)，極大提升了檢測(cè)頻率及次數(shù)。

此監(jiān)測(cè)點(diǎn)主體設(shè)備圖如圖2所示，河道取水設(shè)備圖如圖3所示。

圖2 主體設(shè)備圖

圖3 河道取水設(shè)備圖

主體設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

因系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)密度較大，以近期3 天的數(shù)據(jù)生成了如圖4～8 所示的數(shù)據(jù)波形圖，作為簡(jiǎn)要說(shuō)明（主要摘出水位、化學(xué)需氧量、氨氮、氧化還原電位）。從圖中可以明顯看出，此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)有規(guī)律性變化。例如，水位高度的峰值在夜間0點(diǎn)左右，最高水位1.5 m，最低卻在0.1 m以下，且低值在上午10點(diǎn)以前，水位的急劇變化在晚上0點(diǎn)左右，pH值基本穩(wěn)定，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)，此區(qū)域沒(méi)有強(qiáng)酸強(qiáng)堿物的大量排放?；瘜W(xué)需氧量（COD）值基本穩(wěn)定，但在15 日出現(xiàn)小峰值，然后又回落，氨氮的峰值基本出現(xiàn)在中午和晚上用餐時(shí)間（因附近有大量餐廳），氧化還原電位（ORP）規(guī)律性在上午10點(diǎn)左右出現(xiàn)低值。相信經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的投運(yùn)，根椐采集的數(shù)據(jù)波形圖，完全可以掌握此檢測(cè)點(diǎn)水質(zhì)的詳細(xì)變化情況及趨勢(shì)。

表1 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

圖4 水位趨勢(shì)波形圖

圖5 PH值波形圖

圖6 化學(xué)需氧量COD波形圖

圖7 氨氮波形圖

圖8 氧化還原電位波形圖

4 安裝實(shí)施注意事項(xiàng)

根據(jù)這次安裝實(shí)施的情況總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）安裝位置。綜合排污管道、潛在的水質(zhì)易污點(diǎn)，建議按照以下原則進(jìn)行選擇：①盡量選擇在水質(zhì)易污區(qū)位；②靠近橋梁、岸邊有混凝土基礎(chǔ)，便于相關(guān)設(shè)備的部署；③最好具有電力基礎(chǔ)條件，若無(wú)市電條件，建議在陽(yáng)光直射點(diǎn)，避免在大樹(shù)下及陰涼處，以保證太陽(yáng)能供電效率。

（2）采樣點(diǎn)。①盡量選擇水位最深點(diǎn)，避免在枯水期受水體底部泥沙的影響；②根據(jù)采水點(diǎn)的實(shí)際地形等實(shí)際情況，選擇潛水泵或自吸泵，原則上優(yōu)先考慮潛水泵；③采樣取水頭一定要多層過(guò)濾處理并定期更換，避免異物堵塞取水管。

（3）預(yù)處理。在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采樣取水頭很容易被水中異物、泥沙等影響，造成堵塞等采樣問(wèn)題。針對(duì)這種情況，建議設(shè)置沉淀箱，先將抽上來(lái)的水進(jìn)行過(guò)濾及一定時(shí)間的沉淀；然后再?gòu)某恋硐涠尾蓸舆M(jìn)行后續(xù)檢測(cè)分析；同時(shí)在采樣前，系統(tǒng)應(yīng)從進(jìn)水口到整個(gè)系統(tǒng)的出水口進(jìn)行一定時(shí)間的清洗程序，這個(gè)自動(dòng)清洗程序能最大限度地確保水樣避免交叉污染。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每20 min 進(jìn)行一次檢測(cè)，并實(shí)時(shí)自動(dòng)采集信息，生成報(bào)文；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議及時(shí)把數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)焦芸刂行?，支持管控中心下發(fā)指令、臨時(shí)抽檢作業(yè)、遠(yuǎn)程配置管理、遠(yuǎn)程閥值預(yù)警等功能；給水質(zhì)模型分析軟件提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而依水質(zhì)變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警，也可以根據(jù)實(shí)時(shí)水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)組合表現(xiàn)的綜合性質(zhì)，為決策人員提供大量客觀詳實(shí)的有效數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)。另外，該系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)市面上的產(chǎn)品體積小、集成度高，能直接在戶外使用，安裝簡(jiǎn)潔，無(wú)需復(fù)雜的土建站房工程，費(fèi)用成本有較大的優(yōu)勢(shì)以及市場(chǎng)前景。

在倡導(dǎo)“青山綠水就是金山銀山”的今天，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的空前重視及管理工作的不斷細(xì)化及深入，在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨著信息化技術(shù)的逐步深入推廣及使用，必將對(duì)整個(gè)水環(huán)境保護(hù)、水污染控制以及維護(hù)水環(huán)境健康方面起到至關(guān)重要的作用。