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        基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

        2020-11-05 08:50:46
        黑龍江水利科技 2020年10期
        關(guān)鍵詞:觀音閣電導(dǎo)率聯(lián)網(wǎng)

        葛 秋

        (遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局),沈陽 110003)

        0 引 言

        在過去的幾十年里,觀音閣水庫周圍的水域受到不同程度的污染。徹底消除污染似乎是一個難以完成的任務(wù),但在污染發(fā)生時限制其影響是完全可能的。文章的主要目的是設(shè)計一種監(jiān)測水域質(zhì)量的方法,以幫助水庫利用物聯(lián)網(wǎng)和遙感技術(shù)控制水污染。

        智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將使用RS技術(shù)測量以下水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析:潛在氫(pH)、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率和溫度。在監(jiān)測這些參數(shù)時,人們認(rèn)為應(yīng)該得到一組穩(wěn)定的結(jié)果。因此,一系列連續(xù)的異常測量將表明水污染物的狀態(tài),用戶將在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下達(dá)到這一目的,如短時間內(nèi)的異常讀數(shù),將被記錄,但不作為警報處理。因此,隨著這一監(jiān)測方法的成功實施,利用多個監(jiān)測站的完全實現(xiàn)的系統(tǒng)可以實現(xiàn)水污染預(yù)警系統(tǒng)[1]。

        1 物聯(lián)網(wǎng)

        物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一個革命性的新概念,它有可能將研究的任何領(lǐng)域智能化。未來,機(jī)器與其他機(jī)器進(jìn)行通信,并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)做出決策,完全獨立于最終用戶。

        每一項發(fā)明都是從一個簡單的想法開始的,這就是定義歷史所需要的全部。計算機(jī)的發(fā)明者艾倫·圖靈談到了機(jī)器有傳感器,人類教機(jī)器,我們今天稱之為人工智能(AI)。然后出現(xiàn)了萬維網(wǎng),公眾可以獲得的信息流,而這正是實現(xiàn)特斯拉斯預(yù)測所缺少的?!拔锫?lián)網(wǎng)”這個詞是凱文·阿什頓在1999年發(fā)明的,因為它將傳感器的概念與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來[2]。也許很難看出物聯(lián)網(wǎng)的重要性,但每一項進(jìn)步都是為了讓日常工作更簡單、更安全[3]。

        2 水庫水質(zhì)監(jiān)測方法

        2.1 觀音閣水庫

        文章選取觀音閣水庫作為研究對象,觀音閣水庫工程位于遼寧省太子河流域本溪縣境內(nèi),是遼寧省利用外資修建的大型水利工程項目之一,水庫于1995年9月竣工。水庫庫區(qū)水面有62 km2,最大庫容量21.68億m3,控制流域面積為2795km2,觀音閣水庫具有供水、發(fā)電和防洪的綜合效益。

        2.2 監(jiān)測步驟

        1)第一項任務(wù),也是一項非常重要的任務(wù),是確定哪些水參數(shù)可以為水污染提供密切的指示。另一方面,這些參數(shù)提供的關(guān)于流域?qū)嶋H污染程度的信息非常少。因此,分析將考慮集合參數(shù)行為,以生成有效的輸出,該輸出要么被污染要么未被污染。

        2)第二步是選擇將提供有用數(shù)據(jù)的區(qū)域設(shè)置。所涉區(qū)域應(yīng)該是易受某些化學(xué)波動的影響,因為在清潔、未受影響的水域上進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取會產(chǎn)生已知的結(jié)果。

        3)第三個障礙是哪種形式的數(shù)據(jù)記錄將產(chǎn)生可接受的格式。FTP解決方案最初是在本地網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)的,但是沒有本地互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商的干預(yù),這似乎是最不方便的選擇。云服務(wù)器也被認(rèn)為是一種直觀、更持久的解決方案。關(guān)于這個問題的工作仍在進(jìn)行中。接下來,由于設(shè)備有SD存儲選項,數(shù)據(jù)記錄最終是在硬件上以文本格式完成的,幾乎任何應(yīng)用程序都可以輕松讀取。

        4)最后一步是確定一種可接受的、熟練的和準(zhǔn)確的分析形式。由于流域中含有大量的未知物質(zhì),這些未知物質(zhì)將很快在化學(xué)上改變被測物的性質(zhì)。這反過來又會出現(xiàn)錯誤的讀數(shù)。如前所述,一個測量參數(shù)的變化可能并不表明海水實際上存在污染物。集體衡量的結(jié)果必須在一段時間內(nèi)保持一致,才能被視為可能的威脅。此外,為了克服這一障礙,必須以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方式設(shè)計智能分析系統(tǒng)。

        3 參數(shù)選擇

        3.1 溫度

        重要的是記錄溫度和其他參數(shù),因為這將有助于對被測參數(shù)進(jìn)行行為分析。根據(jù)溫度關(guān)系理論,pH值和電導(dǎo)率在溫度變化較大時會產(chǎn)生不良影響。

        3.2 pH值

        溶液的pH值是溶液酸堿度的量度。pH標(biāo)度為對數(shù)標(biāo)度,范圍為0-14,中性點為7。高于7的值表示堿性溶液,低于7的值表示酸性溶液。大多數(shù)水生生物喜歡pH值在6.5-9.0之間。在這個范圍之外的任何流域生態(tài)系統(tǒng)都是致命的。極端的pH值也會增加元素和化合物的溶解度,使它們有毒,因此更有可能被流域生物吸收。此外,溫度與pH成反比關(guān)系,即隨著溫度升高,pH值降低,反之亦然。

        3.3 氧化還原電位(ORP)

        氧化還原電位是溶液氧化能力的量度。簡單地說,它可以被描述為解決方案自我凈化能力的潛力。較高的ORP值表明存在更多的氧化劑。同樣,較低的ORP意味著存在更多的還原劑。

        據(jù)了解,水生生物的典型良好值應(yīng)在100 mV至200 mV附近。任何超出這些限制的東西都是要調(diào)查的。同樣的道理也適用于ORP水平非常高的自來水,由于使用了氯等消毒劑,其ORP水平通常高達(dá)600mV。任何超出這個范圍的東西都應(yīng)該被調(diào)查。

        3.4 電導(dǎo)率

        電導(dǎo)率表示溶液的離子強(qiáng)度。換言之,這是一種解決方案的導(dǎo)電能力,其典型測量單位為微西門子每厘米(uS/cm)。隨著水中溶解離子的增加,電導(dǎo)率增加。因此,自來水的導(dǎo)電率明顯較低,約為100 uS/cm。電導(dǎo)率值的任何進(jìn)一步增加都可能表明受到污染的水,例如下水道泄漏或化學(xué)廢物涌入水中。

        此外,電導(dǎo)率與鹽度直接相關(guān),即隨著鹽度的升高,電導(dǎo)率提高。超出最佳水平的導(dǎo)電率值表明可能存在負(fù)面情況。溫度與電導(dǎo)率成正比關(guān)系。一般認(rèn)為溫導(dǎo)關(guān)系是線性的,偏差為2%/℃。

        4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        這個項目背后的主要概念可以在一個簡單的框圖中描述,如圖1所示,圖2顯示了傳感器和微控制器板的設(shè)置。整個系統(tǒng)由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、微控制器、SD存儲器和GSM模塊組成。

        采集的數(shù)據(jù)可以通過SD卡存儲在船上,也可以發(fā)送到文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)器或云服務(wù)器。在本項目中,使用云服務(wù)器和本地機(jī)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        此外,由于預(yù)計部署時間將持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年,因此節(jié)能勢在必行。為了實現(xiàn)這一點,系統(tǒng)設(shè)計采用了睡眠模式,即在連續(xù)讀取1h后,系統(tǒng)將獲得15min的睡眠時間。為了進(jìn)一步延長電池壽命,所有空閑模塊都被設(shè)置為關(guān)閉模式。例如,當(dāng)一個SD卡操作完成時,SD模塊將關(guān)閉。GSM和串行通信也實現(xiàn)了這一點。此外,還設(shè)置了警報,以通知用戶某些情況,如電池壽命和進(jìn)度報告。

        圖1 系統(tǒng)運行的總體框圖

        圖2 傳感器和微控制器板的部署設(shè)置

        5 監(jiān)測結(jié)果

        對來自觀音山水庫水源的4個水樣進(jìn)行了測試,以確定每種指標(biāo)的參數(shù)參考。4個水樣在室內(nèi)環(huán)境溫度下用4個獨立的相同系統(tǒng)同時進(jìn)行測試。每隔1h讀取讀數(shù),共12h。出于安全原因,這些系統(tǒng)沒有部署在特定的相關(guān)區(qū)域,而是在安全的受控環(huán)境中收集和測試水樣,結(jié)果如圖3-圖7所示。

        對收集到的河水的溫度、電導(dǎo)率、pH以及ORP進(jìn)行分析。溫度變化范圍在22.25℃-23.5℃,電導(dǎo)率的變化范圍在58.336-58.345 uS/cm,pH為7.74845-7.7487,ORP基本上圍繞0.147V左右波動。從圖3圖4中可以看出,電導(dǎo)率同溫度變化走勢類似,隨著溫度的升高電導(dǎo)率也在升高,pH隨時間先增長后趨于穩(wěn)定,整體水質(zhì)呈略堿性,河水的ORP為147 mV,考慮到可接受范圍為100-350mV,表明水樣整體情況良好。

        6 結(jié) 論

        本研究展示了一個智能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在12小時內(nèi)每小時對水庫的水源進(jìn)行測試,以驗證系統(tǒng)的測量精度。所得結(jié)果與預(yù)期研究結(jié)果相符。同時還觀察到了所有水樣的溫度與pH和電導(dǎo)率的關(guān)系。GSM技術(shù)已成功實現(xiàn),可根據(jù)參考參數(shù)向最終用戶發(fā)出警報,以便立即采取行動,確保水質(zhì)。此外,從所有不同水源獲得的參數(shù)參考將用于構(gòu)建分類器,用于以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的形式執(zhí)行自動水分析。簡而言之,該系統(tǒng)通過在整個測試期間提供準(zhǔn)確和一致的數(shù)據(jù),以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行實時水監(jiān)測的附加功能,證明了其價值,這應(yīng)該是實時水監(jiān)測解決方案的一個優(yōu)秀競爭者。

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