水質如何，秒測

田媛

孫堅的課題是基于無線傳感器網絡的水質監測。在介紹他“高大上”的課題內容時，他說：“我只是一個在電腦前搞編程和敲代碼的程序員。”

匠人該退了水污染類型多樣，苯、二氯乙烷、乙二醇等有機毒物造成的水污染，會毒死水生生物，一些重金屬如銅、鎘、汞、砷等，含量超標也會嚴重影響水生生物的生命。這些多類型的污染許多需要借助專業測量工具才可鑒別。以往傳統的檢測方法費時費力，讀研后，孫堅跟著導師開始了“面向水環境監測的無線傳感網絡”課題的研究。

其實，這種無線傳感的方法，孫堅從本科時就開始嘗試了。一次，他研究用于測試房間空氣是否超標的甲醛監測盒，“當時我本科的專業是計算機技術，所以第一個想法是如何用計算機編程的方法去完成空氣中某些氣體含量的監測，但是編程只能解決軟件處理的工作，硬件部分還需要摸索。”兩個月后，孫堅選擇將傳感器作為硬件設備，“它可以將感受到的信息變換成電信號或其他形式的信息輸出。”

由于人們對不同類型房間的使用要求可能不同，孫堅設計了不同的傳感器，比如臥室需要可以感應甲醛的傳感器，廚房需要可以感應甲烷和一氧化碳的傳感器，還有一些能感應PM2.5、感應溫度或者濕度的傳感器等等，它們都可以將所感應到的信息以電信號傳輸給總控制器，然后就可以在計算機上看到每一種待監測氣體含量的具體數值。“這段經歷讓我對無線傳感網絡這類型的課題有了一定了解和項目經驗，而且我實實在在地了解過傳統水質監測的過程，也思考過它的一些不足之處，我對用計算機來對水環境進行監測有很大的信心。”

傳統的水質監測很辛苦，比如要測試山頂泉水的質量時，師傅們經常背著一個大書包，用一根樹枝作拐杖，跋山涉水爬到山頂瀑布口，用礦泉水瓶灌滿一瓶水，再帶回到城市的實驗室完成檢測，無論酷夏還是嚴寒，每周一次絕不缺席。雖然這種匠人精神讓人十分敬佩，但已經不能適應如今需求，“這種方法不能實時得出監測結果，水質監測員艱難取樣后，得到的檢測結果已經是好幾天前的了，如果某一地區的水源因為污染

物泄露，或者其他什么原因在某一段較短的時間內發生劇烈的改變，這種監測方式顯然不能及時發現問題；另外，不論在時間還是空間上，它都無法完成全方位測試，比如無法監測水溫的變化，無法監測水下較深的區孫堅域等；最重要的是，傳統的水質監測方式都是人工監

測，人力物力成本都比較高。”

南京郵電大學計算孫堅加入課題組后，沒過多久就成了小組長。團機軟件學院研究隊從傳統水質監測無法完成全方位測試作為突破口，生，目前在江蘇省無線傳感網高技術首先開發出了能適應各種水下監測的傳感器節點。節研究重點實驗室做點被放置在需采樣的水域后，就可以實時感知水環境課題中的關鍵參數了。除了硬件，團隊還自主開發了一套水環境監測的軟件系統，使無線傳感器節點與服務器之間形成雙向通信，“這樣一來，我們只需要查看計算機屏幕上顯示的數據，就可實時知道待測的水環境情況。這些節點可以長期放置，以實現長時間的監測。”

雖然整套方案看上去十分有效，但實際操作起來的難度卻遠遠超乎了想象。“我們碰到的最大的攔路虎是各種電路板的研發設計，因為傳感器在水下接收到的信號很弱，也很容易受到外在其他信號源的干擾。就拿PH傳感器來說，現有的PH傳感器有上千種，我們通過查閱資料，咨詢各類傳感器的公司和專家，還有實踐和模擬，最后采用了一種工業級的PH復合電極來采集水質的PH值，可這個傳感器如何與單片機和電池板相連接又是個問題，經過上百次的摸索，我們終于設計出了一個合適的電路方案。”

此外，團隊還根據水環境的特點，對現有節點體系結構中傳感模塊、通信模塊、控制模塊的集成和微型化等方面進行了改進。“改進的主要原則和目的就是線路更優化，信號采集更直接，信號輸出更準確。”解決了一系列難題后，這一整套軟硬件設備被搬到太湖水域，開始了實地監測。

太湖試水

2016年8月，孫堅團隊來到了中科院太湖觀測站。“開始工作后，我們先租了一條小船進行布點，就是把那些傳感器節點拋到水面上。當然拋的時候也不是隨隨便便拋，布點也是有講究的，比如在菱角這一類水面植物多的水域附近，我們布點就會比較淺，在水下植物多的水域，布點就會比較深；在有人活動的靠近岸邊的區域，布點會比較密集，在遠離岸邊的水域，布點就稀疏一些。”

布點完成后，“只要打開計算機里我們為完成水質檢測而開發的軟件，進入系統的頁面后，點擊數據查詢這個選項，再輸入我們需要查詢的節點編號，就能看到我們所需要的各種數據了。”只見孫堅用鼠標點擊“完成并開始查詢”后，不到 1秒的時間，屏幕上立刻顯示出了包括時間、節點號、溫度、深度、 PH值以及節點坐標等各種信息。孫堅說：“這個軟件除了可以實時查詢某一節點附近的水質監測情況，還可以將各種所需的數據圖形化，更直觀更具體。”

說著，他點擊了軟件上的“查詢節點能量”這一選項，計算機屏幕上便出現了一幅折線數據圖，以當日早晨8時到中午12時為時間軸，我們看到，水溫在10

不到1秒的時間，屏幕上立刻顯示出了包括時間、節點號、溫度、深度、PH值以及節點坐標等各種信息。

時到11時上升的速度最快，所有的數據一目了然。孫堅告訴我們，第一天團隊成員們在太湖的岸邊看到這些監測數據第一次出現在計算機屏幕上時，當場的所有人幾乎都要跳起來了，“真的太激動了，這一年多來，我們真是經歷了無數失敗，才算圓滿地完成了這次任務。”

孫堅很快從成功的喜悅中平靜下來，“其實我們還有再提高再完善的地方。”隨后，孫堅提出了兩個改進的方向，“一是后臺系統可增加提供歷史水質監測傳感數據的查詢功能，對數據的變化趨勢進行一些分析，這樣當數據超出正常范圍時，系統可以報警。二是可以研發基于移動終端設備的水環境數據監測，也就是開發出一款手機軟件，通過無線網絡和移動終端設備與后臺服務器進行交互，讓我們能直接在手機上查詢到所需要觀測的水質檢測節點處的水質情況，完成數據的實時共享，實現遠程控制、維護和管理。這樣的話，只需要攜帶一部手機，就可以實現對水環境數據隨時隨地的監測。”

責任編輯：曹曉晨

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