城市污水排放在線智能監測技術探索

摘要：從城市污水排放點水質在線智能監測監控的實際需要出發，開展對水質測定指標參數的研究、水質數據采集、傳輸、處理技術的研究，并提出了一個對城市污水污染源進行遠程在線連續自動監視、監測系統。

關鍵詞：污水監測 無線傳感網（ WSN） CJRPS 在線監測

水環境保護問題是關系到人類生存和可持續發展的全球戰略性問題。近年來，各國政府都加大了對水污染防治與水環境監測研發的投入。隨著無線技術、有線技術以及新型傳感技術的高速發展，污水排放監測系統正向著自動化、實時化、智能化、無線化、低功耗等方向發展。

無線傳感網技術（ Wireless Sensor Network， WSN）應用于城市污水環境監測中，采用水質傳感采集技術和視頻網像智能水質監測分析技術采集水質數據，將一個區域內的各水質傳感采集節點用無線通信傳輸技術組織成無線傳感網，無線傳感網再通過無線網關接入In-ternet。水質參數數據經無線傳感網和Internet匯入遠程數據監控中心。這樣在傳統污水監測系統的基礎上，幾乎不需要做任何改動，就可以實現對城市生活污水排放區域的有效監測，同時生產、施工和維護的成本也較低。

水質視頻監控部分的視頻采集部分通過先進的激光紅外攝像技術的全天候監控，通過RS485接口接收來自控制平臺的命令控制，控制命令為一系列的ASC碼，可以調整攝像機的焦距和云臺的轉動。采用最先進的數字壓縮技術（MPEC-4），接人嵌入式硬盤，實現對實時圖像的顯示、存儲、回放及遠距離傳輸。其關鍵技術是以下幾點：

一、水質測定指標參數

當污染物進入水體后，若其含量超過了水體自身的白凈能力，使得水質的物理、化學或生物性質、組成發生變化，從而會大大降低水體的使用價值和使用功能，進而影響人類的生存。污染物來源主要有：工業污水、生活污水及農業污水。通常采用水質指標的好壞來衡量水體被污染的程度。水質測定指標項目繁多，可以分為三大類：

1.物理性水質指標，如水溫度、色度、渾濁度、透明度、總同體、可見同體、電導率等。

2.化學性水質指標，包括一般的化學性水質指標（如pH值）、氧平衡的水質指標，有毒的化學水質指標。

3.生物學水質指標，包括細菌總數、總犬腸菌群數、各種病原菌、病毒等。

二、基于視頻網像的污水濁度、色度智能分析技術

水質參數大致可分為物理和化學兩類，如濁度是物理參數，pH值是化學參數。已有的物理測定包括濁度（目視比濁法、分光光度法、濁度儀法等）和色度（鉑鈷比色法、稀釋倍數法等）的測定方法。它們的特點是人工采集水樣后離線測試，實時性和效率不高。

為此我們提出了基于視頻圖像的污水濁度，色度智能分析技術：

被污染水體具有獨特的有別于清潔水體的光譜特征，這些光譜特征體現在其對特定波長的光的吸收或反射，而且這些光譜特征能夠為視頻圖像所捕獲并在視頻圖像中體現出來。如當水體出現富營養化時，浮游植物中的葉綠素對近紅外波段具有明顯的“陡坡效應”，故而這類水體兼有水體和植物的光譜特征，即在可見光波段反射率低，在近紅外波段反射率卻明顯升高。

對視頻攝像機拍錄到的圖像進行分析可以得到水質的物理特性。物理類參數的分析一般是將數字圖像處理在處理過程上可以分成兩個步驟。第一個步驟是對數字圖像進行預處理，也就是如同像平滑、抑制噪聲、圖像增強等處理方法，其目的是為了得到一個信噪比高、易于進行更高級的處理的圖像；數字圖像的后期處理包括了邊緣檢測，輪廓跟蹤，圖像分折、模式識別、網像理解等。

三、水質數據傳輸技術

1.從采集點到監控中心的遠距離數據傳輸技術

城市污水排放監測點分散于城市各處，地理范圍廣。如何將大量污水水質參數實時傳輸到監控中心是要解決的關鍵技木問題。用于系統傳輸數據的技術和方法很多，有線方式包括：電纜、光纜，無線方式有：超短波、微波、衛星等。從成本、傳輸率、技術等多方面考慮，采用CRPS、3C等最新無線技術實現遠距離大數據量實時傳輸。

2.排放點小區域內多水質采集器近距離數據傳輸技術

一個排放點有多個水質傳感采集器，這些水質參數采集器間需要互相通訊聯系。將區域內這些水質傳感采集器節點組織成無線傳感網。多水質采集節點形成一種特殊無線多跳、自組織網絡，實現了協作、感知、采集和處理網絡覆蓋區域內水質參數信息。

四、構建水環境監測專家系統，自動進行智能決策

通過無線傳感網合理建立完善各類水環境數據庫，根據不同類型的水環境劃分為不同數據庫，如常規水環境檢測數據庫、重要水環境實時監測數據庫等。

基于已有的大量的各種實時水環境參數數據庫，構建開發水環境監測專家系統，多維、高精度的數據分析與管理，實現對監測業務和環境管理決策的深度支持，從而最大程度地提高環境監測信息化水平，增強環境決策與管理的能力。

將無線傳感網技術應用于城市水環境監測中，研制的新型無線水質參數采集、監測裝置將觸合水質參數采集、無線傳輸、網絡通信、智能決策、水質在線自動分析技術、預警預報技術等關鍵技術，通過白動標識的節點構建覆蓋城市的污水排放環境監測網絡，由組成的無線傳感網系統自動對受污染的水域進行監控。

實現具有覆蓋區域廣，可遠程監控、監測精度高、節點自組、布網快速和系統成本低以及對生態環境影響小等特點。隨著我國政府對環保工作高度重視，對環保行業的投資力度加大，城市污水排放點水質在線智能監測具有重要的意義和實用價值。

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