江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 龍家豪 向 青 錢同惠

水質(zhì)監(jiān)測是科研工作人員進(jìn)行水質(zhì)管理和治理時(shí)的一項(xiàng)基礎(chǔ)與必要工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式效率較低，人工成本較高，并且在復(fù)雜的水域中，監(jiān)測人員的安全存在隱患。本文著重對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測方法的研究成果進(jìn)行了分析與歸類，綜合考慮了各種研究方法的主要研究成果和主要特點(diǎn)，并分析其主要存在的問題，最后對無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

縱觀國家的工業(yè)發(fā)展歷程，由于對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，我國在現(xiàn)階段內(nèi)進(jìn)行的是以犧牲社會環(huán)境為代價(jià)的工業(yè)化進(jìn)程，也正因?yàn)槿绱?，直接?dǎo)致生活環(huán)境趨于惡性走向。20世紀(jì)初期，國家領(lǐng)導(dǎo)人就環(huán)境污染完成的社會問題發(fā)表講話，強(qiáng)調(diào)了金山銀山和綠水青山的本位問題，而綠水，就指的是水資源。水資源在人的發(fā)展和生存中占據(jù)重要地位。但由于過多的排污需求，使得水的自凈效率顯得很緩慢，因此人工干預(yù)是必然的趨勢和要求，我們應(yīng)該有效緩解水污染問題，積極響應(yīng)“長江大保護(hù)”的號召。

進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，需確保采樣工作規(guī)范、合理。若采樣頻次、方式有問題，亦或采樣點(diǎn)位的布設(shè)缺乏合理性，便會導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在偏差。水樣采集完畢后必須盡快送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種項(xiàng)目的分析，因此應(yīng)保持良好的室內(nèi)環(huán)境，以免對水樣的分析過程和結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。這整個(gè)過程中，最貼近的數(shù)據(jù)獲取，離不開標(biāo)準(zhǔn)的操作方式。因此，為了數(shù)據(jù)的有效性，對操作人員的專業(yè)性和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求就比較嚴(yán)格。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，也需要謹(jǐn)慎。采點(diǎn)取樣不合理，樣品含有雜質(zhì)，試劑的純度等錯(cuò)誤行為都會影響實(shí)驗(yàn)分析在部分水流湍急或者極端環(huán)境下，人工水質(zhì)監(jiān)測存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。研究人員為解決上述水質(zhì)監(jiān)測中存在的問題做了許多研究，本文在解讀水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)檢測未來發(fā)展的潛力和趨勢。

1 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)

各地區(qū)應(yīng)對地下水水質(zhì)進(jìn)行定期檢測，檢驗(yàn)方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5750《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》執(zhí)行，監(jiān)測項(xiàng)目為：pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氰化物、砷、汞、鉻(六價(jià))、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、大腸菌群，以及反映本地區(qū)主要水質(zhì)問題的其它項(xiàng)目。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測水質(zhì)方法研究

在水質(zhì)監(jiān)測研究當(dāng)中，應(yīng)用最早的是傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測，通常我們可以使用物理指標(biāo)監(jiān)測儀器，比如說測定水濁度的濁度儀，測定色度所用的濾光光度計(jì)，測定電導(dǎo)率用的電導(dǎo)率儀等，還有多功能集成型的水質(zhì)監(jiān)測儀可以同時(shí)測定包括總氮在內(nèi)的多項(xiàng)物理指標(biāo)的效果。目前水質(zhì)監(jiān)測研究主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、生物監(jiān)測、遙感監(jiān)測技術(shù)等。并且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，很多智能監(jiān)測研究都已經(jīng)得到推廣，并且在特定的水質(zhì)環(huán)境下都有很卓越的監(jiān)測效果。

在傳統(tǒng)的理化監(jiān)測當(dāng)中，監(jiān)測指標(biāo)過于單一，存在主觀性，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法具有智能化程度高，檢測周期短、應(yīng)用領(lǐng)域廣，可靠性高等特點(diǎn)。于淑寧等采用外接接口單極接線模式構(gòu)建了一種自來水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，這種連接方式傳輸信號的穩(wěn)定性極強(qiáng)，缺點(diǎn)是占地空間比較大。次世青等基于Zigbee技術(shù)提出了用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，通過每個(gè)傳感器模塊獲取水環(huán)境額數(shù)據(jù)，利用Zigbee協(xié)議將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到聚合節(jié)點(diǎn)，并且提出了基于蟻群算法的改進(jìn)型LEACH算法，通過該算法建立的路由，能夠有效地降低整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在信號發(fā)送和接受時(shí)的能耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。針對水產(chǎn)養(yǎng)殖無線監(jiān)測系統(tǒng)能耗高、續(xù)航短的問題，周浩東等設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee和GPRS的節(jié)能水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路之間增加一個(gè)門芯片ADG1414或使用低功耗器件來控制每個(gè)模塊的頻率的分配，減小了系統(tǒng)的耦合性，減少每個(gè)模塊的上電時(shí)間，降低了硬件的能耗。對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，并且可以人為設(shè)置閾值，自動過濾到閾值外的數(shù)據(jù)，這不僅減少了系統(tǒng)傳輸?shù)墓ぷ髁?，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的續(xù)航能力。Sergio Diaz等設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)包括電源管理、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測站，并且將太陽能采集模塊當(dāng)作可持續(xù)能源。張曉玲設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動化水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)考慮到穩(wěn)定性與持久性，采用了低功耗設(shè)計(jì)，能夠?qū)χ付ㄋ蜻M(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測、并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了存儲，并且可以對其進(jìn)行分析。Faustine Anthony等提出了一種用于LVB中水質(zhì)監(jiān)測的水傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)原型。在開發(fā)之前，對主要環(huán)境進(jìn)行了評估，包括行動地點(diǎn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可用性，該系統(tǒng)由Arduino微控制器、水質(zhì)傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)模塊組成。Sempere Paya Victor M等為城市污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)了一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)圖像和測量水位的移動系統(tǒng)和一個(gè)用于處理水質(zhì)質(zhì)量超標(biāo)和水位超過閾值的緊急情況的智能平臺構(gòu)成，以及采用特定協(xié)議和工具設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)充分利用了水循環(huán)，最大限度地減少人為錯(cuò)誤的可能性，并提高測量的頻率和準(zhǔn)確性。代將來等人設(shè)計(jì)了一種LoRa無線通信協(xié)議，同時(shí)運(yùn)用地址過濾技術(shù)設(shè)計(jì)了一種預(yù)防通信沖突的方案，基于此研究和方案設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理水質(zhì)狀況的系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的的LoRa射頻模塊從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至后端服務(wù)器，這大大增強(qiáng)了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。顏波等提出了一種基于RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、融合節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)和中心控制系統(tǒng)，將RFID讀寫器連接到電子RFID標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)并且存儲了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的編號和位置信息，從而提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率。

綜上所述，在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)來建立連接，可以有效地降低信號發(fā)送和接受的能耗，并且可以延長整個(gè)系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)物理和化學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)耗能大、穩(wěn)定性差、并且需要大量人力維護(hù)的問題。

3 結(jié)語與展望

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法是理化水質(zhì)監(jiān)測，往往存在效率低、工作量大等弊端，并且難以適用于復(fù)雜的水域環(huán)境。無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中最大限度地利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了從水質(zhì)傳感節(jié)點(diǎn)到水質(zhì)監(jiān)測中心的無線數(shù)據(jù)傳輸，解決了現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸方式所帶來的弊端，并極大地提髙了工作效率、降低了人工成本。所以利用無線傳感網(wǎng)咯能夠完整、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和管理，從而建立完善的水資源數(shù)據(jù)管理體系，方便水資源管理人員或科研人員的分析、決策和管理。同時(shí)無線傳感網(wǎng)絡(luò)可在人工難以取樣的復(fù)雜水域環(huán)境，提高監(jiān)測的安全性，進(jìn)行高效率的水質(zhì)采樣以及實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。