古正光
基于民眾生活水平的持續(xù)提升,對飲用水的需求量呈現(xiàn)出逐年增高的態(tài)勢,但是受到生活污染、工業(yè)生產(chǎn)等因素的影響,使得飲用水源水質(zhì)受到不同程度的污染??v觀現(xiàn)階段我國水源水質(zhì)監(jiān)測工作的開展,其中涉及諸多部門與環(huán)節(jié),在水源水質(zhì)監(jiān)測過程中針對污染問題難以做到第一時間進(jìn)行反饋和采取措施解決。并且我國近幾年對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建逐漸加大資金投入力度,但是其監(jiān)測效果仍無法滿足實(shí)際需求。究其成因,在于目前大部分監(jiān)測站只能做到對常規(guī)參數(shù)的監(jiān)測,如溶解氧、濁度、水溫等,針對有機(jī)污染物的監(jiān)測能力有待提升。對此,需依據(jù)對現(xiàn)階段水源水質(zhì)情況的分析,進(jìn)行水源水質(zhì)監(jiān)測平臺的創(chuàng)新,以期為水源監(jiān)測工作的高質(zhì)量開展打下基礎(chǔ)。
水源水質(zhì)監(jiān)測通常情況下可以具體分為生物毒性監(jiān)測與理化監(jiān)測,不同監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)缺點(diǎn)不同。針對理化監(jiān)測而言,其優(yōu)勢特點(diǎn)體現(xiàn)為指標(biāo)監(jiān)測重復(fù)性良好、指標(biāo)監(jiān)測客觀性強(qiáng),其劣勢體現(xiàn)為存在較高漏報率、指標(biāo)少等。針對生物毒性監(jiān)測而言,其優(yōu)勢體現(xiàn)為綜合性強(qiáng)、毒物作用的綜合體現(xiàn)、光譜性強(qiáng),其劣勢體現(xiàn)為誤報率高、抗干擾能力低等。對此,實(shí)現(xiàn)對水源水質(zhì)的全面且客觀的監(jiān)測,可通過對生物毒性與理化監(jiān)測的聯(lián)合開展,以優(yōu)勢互補(bǔ)的形式來提升水源水質(zhì)監(jiān)測的全面性與準(zhǔn)確性。
依據(jù)對現(xiàn)階段水源水質(zhì)監(jiān)測開展現(xiàn)狀的分析,確定本研究所構(gòu)建的水源水質(zhì)監(jiān)測平臺需要具備以下功能:
進(jìn)行監(jiān)測對象的拓展,除常規(guī)的水溫、pH值、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧監(jiān)測參數(shù)之外,進(jìn)行蚤生物毒性、紫外線吸收、斑馬魚生物毒性指標(biāo)監(jiān)測的拓展,實(shí)現(xiàn)對水源水質(zhì)監(jiān)測對象的豐富。
以間斷運(yùn)行方式進(jìn)行浮標(biāo)運(yùn)行的控制,將浮標(biāo)運(yùn)行與休眠時間比例控制在1:11,即在實(shí)際運(yùn)行過程中,針對相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的采集以30min為間隔。
針對不同水質(zhì)參數(shù)的處理,服務(wù)器在接收水質(zhì)數(shù)據(jù)時以GPRS無線通訊模塊為載體,并通過云計算平臺來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的融合、計算、分析。數(shù)據(jù)處理平臺涉及對數(shù)據(jù)資源庫的構(gòu)建,并依據(jù)對采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用構(gòu)建預(yù)測模型,運(yùn)行期間以標(biāo)準(zhǔn)值為參照進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的比對與分析,在超出規(guī)定值后第一時間預(yù)警。同時,相關(guān)管理人員可利用移動終端進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)信息的獲取,通過觀察水質(zhì)變化曲線圖來實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)變化的掌握,做到對水源水質(zhì)變化情況的直觀化分析。
針對水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計,其具體劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其中應(yīng)用層囊括預(yù)測模型、預(yù)警模塊、手機(jī)客戶端模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊;網(wǎng)絡(luò)層囊括服務(wù)器、無線通訊模塊、云計算平臺,云計算平臺可支持對采集數(shù)據(jù)的融合、分析以及計算;感知層則主要是依托于傳感器設(shè)備的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的采集。
該系統(tǒng)平臺所采用的關(guān)鍵技術(shù)包括:
(1)太陽能供電技術(shù)
太陽能供電模塊的組成具體包括智能控制器、電池板以及鉛酸電池等。功能方面實(shí)現(xiàn)對過充、過防情況的保護(hù),并支持對過載、電子短路等問題的保護(hù)功能。同時,為實(shí)現(xiàn)對太陽能供電效果的提升,在低壓提升電路方面進(jìn)行深度研發(fā),并依據(jù)監(jiān)測平臺運(yùn)行需求的分析,進(jìn)行鉛酸電池充電時段的擴(kuò)充,且在連續(xù)陰雨的情況條件下,鉛酸電池可維持連續(xù)8d的工作時間。若系統(tǒng)運(yùn)行期間連續(xù)陰雨天氣維持超過8d,則可以借助智能供電技術(shù)來維持傳感器等設(shè)備的正常運(yùn)行,避免水源水質(zhì)監(jiān)測受到陰雨天氣的影響。
(2)自動檢測設(shè)備
該監(jiān)測涉及8種水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測,其中針對水溫、pH值、溶解氧等參數(shù)的監(jiān)測采用國產(chǎn)品牌,在保證其參數(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確性的前提下,進(jìn)一步降低水源水質(zhì)監(jiān)測成本。以雷磁牌傳感器為例,生產(chǎn)企業(yè)為上海儀電科學(xué)儀器股份公司,針對不同水質(zhì)參數(shù)選擇DO-975、DJS-1C、pH電極等型號。
針對濁度與紫外線吸收的測量,則涉及對光學(xué)傳感儀器的使用,可采用集監(jiān)測濁度與紫外線吸收功能為一體的傳感器設(shè)備。在實(shí)際水源水質(zhì)監(jiān)測過程中,按照相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紅光、綠光、藍(lán)光以及紫外光源的依次開啟。需注意,不同光源的參數(shù)不同,分別為635nm、520nm、470nm、254nm。而針對濁度與紫外線吸收的計算,則需以90°散射光強(qiáng)、不同光源波長為依據(jù)進(jìn)行合理計算。
針對斑馬魚毒性參數(shù)的檢測,其監(jiān)測裝置的設(shè)計以斑馬魚生性為依據(jù),將白光照明燈設(shè)置于監(jiān)測裝置上,以此用作對自然光的模擬,然后將LED發(fā)光二極管設(shè)置于裝置前側(cè)中部位置,將光敏二極管設(shè)置于裝置后側(cè)面中部位置,并使二者形成水平方向的光柵欄,運(yùn)行期間光柵欄在斑馬魚游行經(jīng)過時會自動運(yùn)行,利用高電平生成脈沖,而脈沖數(shù)只可以被單片機(jī)進(jìn)行采集,監(jiān)測中心接收來自傳感器的數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行存儲、分析以及計算,判斷斑馬魚是否呈現(xiàn)出中毒加深的情況。
針對蚤生物毒性監(jiān)測而言,在監(jiān)測裝置設(shè)計時主要利用生物趨光性的原理,將LED白光照明燈設(shè)置于裝置的上下兩側(cè),并將LED發(fā)光二極管設(shè)置于裝置前后兩側(cè),進(jìn)而形成水平方向的兩道光柵欄,運(yùn)行期間大型蚤會受到白光的吸引來游動,然后打開上部白光照明來吸引大型蚤向上游動,利用單片機(jī)進(jìn)行游動次數(shù)的檢測,通過判斷大型蚤穿越光柵欄次數(shù)來確定中毒癥狀。
(3)客戶端服務(wù)與服務(wù)器交互
為實(shí)現(xiàn)對GET、POST請求的滿足,將API接口設(shè)置于服務(wù)器一側(cè),以JSON為主進(jìn)行返回數(shù)據(jù)格式的設(shè)置,采用業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行平臺業(yè)務(wù)層的控制,各層調(diào)度請求的控制以返回規(guī)格數(shù)據(jù)的處理為基準(zhǔn)。為確保其數(shù)據(jù)不存在丟失、篡改等現(xiàn)象,采用MD5參數(shù)簽名進(jìn)行請求參數(shù)的傳遞。針對數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建,則以MySQL為基礎(chǔ)。平臺功能體現(xiàn)為:①對不同參數(shù)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取;②登錄驗(yàn)證;③選7d內(nèi)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)獲取,其中參數(shù)波動情況會以折線圖進(jìn)行體現(xiàn);④分頁取數(shù)。
將該系統(tǒng)平臺應(yīng)用于水源水質(zhì)監(jiān)測中,浮標(biāo)在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)定期進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的采集,然后利用GPRS模塊進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)信息的傳遞,服務(wù)器在接收相關(guān)參數(shù)信息后借助云計算平臺完成對數(shù)據(jù)信息的融合與處理,依托于處理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)測模型,以模型為基準(zhǔn)進(jìn)行不同指標(biāo)參數(shù)的分析與比對,用戶可通過遠(yuǎn)程控制的方式進(jìn)行水質(zhì)曲線圖的獲取,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水源水質(zhì)情況的遠(yuǎn)程獲取,并準(zhǔn)確掌握不同指標(biāo)參數(shù)的變化情況。
綜上所述,基于物聯(lián)網(wǎng)的水源水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建,充分利用傳感器、通訊、云計算、GPRS、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的實(shí)時采集,在提升水源水質(zhì)監(jiān)測范圍的同時,進(jìn)一步提升水源水質(zhì)監(jiān)測的客觀性與準(zhǔn)確性,并做到對水源水質(zhì)參數(shù)信息的遠(yuǎn)程獲取與判斷。