自動化監測技術在水質檢測中的應用與研究

蘭 翔

(四川省阿壩生態環境監測中心站，四川 阿壩州 624000)

隨著社會的不斷進步，工業也在不斷發展，雖然人民的生活日益變好，但是這個過程卻是以生態環境的改變為代價的[1]。在生態中，水作除了孕育出地球上一切的生命以外，還是生命賴以生存的本源。所以對于人類而言，健康的水質對于身心健康尤其重要，要做到對于水質的精準把控。作為一門綜合度高、應用面廣的科學技術，自動化技術在各行各業上有著不可估量的廣闊前景。所以在將自動化技術應用于水質檢測是十分有益的一項重要手段，對于建設國家的環境監測體系和環境預警體系都是非常重要的技術。對于水體保護的力度逐漸加大，水質自動化監測系統工程的數量也得到了進一步的提升[2]。

1 水質自動監測系統的建設

1.1 我國水質自動化監測技術的發展

我國水質自動監測技術主要應用于地表水監測、工業廢水排放監測等。其中對于地表水的監測主要開始于20世紀90年代末，通過在不同地區的不同位點進行樣品采集監測地表水的質量和污染程度，管理水體以及預防和控制水污染的發生[3-5]。秉持著綠水青山就是金山銀山的根本，我國也在水體治理、水資源保護上越來越嚴格，在各大水環境附近建起了監測站并且推廣甚遠。在工業廢水監測站建立初期主要是私營為主，由于資金有限且要控制成本的原因，導致了監測工業廢水的技術有限，手段單一，規模較小，穩定性差且檢出量少，這些結果都使得初期建立的水質檢測不能滿足我國的復雜水質環境和繁復多樣的水質污染。而科技的進步造就了大批量檢測儀器廠家的出現，其中不乏具有自我研發實力的企業，其生產的水質檢測儀如圖1所示。

圖1 水質檢測儀

1.2 水質自動監測系統的建設需求

(1)合理協調建設水質監測站。以前有采取以人工記錄方式為主的檢測模式，但由于人工的數字記錄一方面不易將記錄結果輸入計算機，另一方面需要處理的數據依靠人工進行定性定量判斷，費時并且容易出錯，而不穩定的記錄結果并不能滿足當代社會的水資源監測[6]。所以自動化監測是勢在必行的一種方式。但由于一方面水質自動化監測涉及到水利工程、水處理工程、水質分析、儀器儀表使用、自動化智能、計算機技術、數據傳播手段，是一門交叉的學科，跨專業系統工程。并且在具體施工建設水質監測站時還需要考慮到土地，水務等多個需規劃因素，這就使得建設水質自動化監測需要合理規劃，跟工作協調具體的施工建設過從而有效施工。因此，成立相關建設小組，并結合當地實際情況協調工作，解決可能存在的建設問題以及保障建設工作可以如期進行[7]。建立水質自動監測站的目的在于解放勞動力并且高速有效的記錄水質數據，水質監測系統需要對檢測儀的結構、靈敏度有相當高的技術支撐。由于監測系統的每一環節都和與其相連的環節相互匹配，當其中某一部分壞損時，會導致整個監測系統陷入停滯的狀態，不能正常運行。為了能夠長期穩定地進行水質監測以及數據傳輸，需要建立可靠的水質檢測位點，并且妥善進行后續關于系統安裝、建設、調試、運行、維護等環節，更要設計合理，保證施工，才能從源頭上避免自動監測系統的“停擺”。當然自動監測并不是完全放棄人力，我們還需要對對口的技術人員進行進一步的技術培訓呢，使他們熟練掌握儀器，系統及軟件的操作和應用，并學會操作儀器簡單的維修，以防止出現突發狀況，所以嚴謹科學的管理手段，可以使得自動監測系統達到長期穩定[8-9]。

(2)合理建立水質自動監測站房。水質監測中所用到的站房是用以裝備系統儀器、設備的建筑主體和外部保障。建設需遵循《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022)，《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)，《建筑設計負載規范》(GB 50009—2001)，《工業建筑防腐蝕設計規范》(GB 50046—1995)，《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2002)，《安全規范工程技術規范》(GB 50348—2004)，《建筑物防雷設計規范》(GB 50357—94)，《供配電系統設計規范》。除此之外，自動監測站房所選取的位置地質結構穩定、地勢平坦，具有四通一平的條件；同時，書UI至自動監測站采水位點不易被環境腐蝕，能裝配不同采水方式的施工和安裝。站房還需要按需分割為不同的空間，如設備放置區域、監測人員生活區域、質檢區域[10]。

(3)合理建設自動監測和數據管理平臺。要想做到對某片水域進行水質的全面監測，水質自動監測系統需要幾十甚至幾百個自動水質監測站[11-12]。而在監測的過程中，會產生大批量實時監測的數據上傳至計算機，所以提高數據的轉化率十分重要，也借此提高自動監測的力度。科技進步與自動化在各行各業的推廣，自動化技術的運行使得人力從大量繁雜的數據處理中釋放，再對各個點位所收集的實時數據進行精準處理，從而將處理結果上報給有關部門，使得水質監控技術嚴格按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)執行，并對每項監測結果定出相應的水質類別[13]。水質自動監測技術應用廣泛，在水利、環保等行業起著至關重要的作用，水質監測站從各點位采取數據的頻率一般為 4 h/次，0：00、4：00、8：00、12：00、16：00、20：00、24：00整點啟動監測，通過網絡用VPN進行數據發布，一天則可以得到6次監測結果，監測頻率可以通過具體情況如已被污染水域等進行具體調節，提高監測頻率，從而增加監測結果精準應對污染問題。水質監測站的基本構成為監測中心和子站，以1∶1進行分配。子站主要職能為收集數據即通過自主站所在水域水質的水中溶氧率、pH值、渾濁度、水溫、水位、重金屬離子、有機污染物等基本參數，也可以根據實際情況來增加監測參數，從而達到精準監測，在收集完數據之后，所得的數字信息會流向中心站進行分析。目前，比較常見的水站工作流程為首先在各采樣位點由采樣泵進行采樣，再通過特定管道傳輸，管道連接數值分析儀，在水質分析儀進行所需的項目分析后，由水質分析儀提供分析結果，并將所分析結果實時儲存并向上一級中心站傳播[14]。

2 自動化監測水質設計

自動化監測水質的原理在于集合監測中心、信號中繼站及若干監測室等部分的功能進行水質監測。監測中心起指揮、控制和處理數據的作用，通過PLC來協調控制系統的整個過程，信號中繼站可起到將信號再生、放大，從而使得傳輸的信號保持質量(圖2)。

2.1 水質自動化監測站硬件設計

設計好硬件設計對于自動化監測和自動標定至關重要。一般情況下，將單片機設計為直接控制設備獲取設備狀況的計算機，可以作為數據采集的中心，與此同時，還可以通過設計單片機和外圍電路來進一步影響測量數據的精確程度，擬從主控模板設計、傳感器設計、GPRS模塊設計、人機交互系統設計作為硬件的設計內容(圖3)。

2.1.1 主控模板設計

主控模板由單片機作為CPU，再由系統電路輔助工作。選用單片機作為下位機是因為單片機是整個水質自動監測系統的核心，對其選擇需要考慮其準確性和精確性等參數，才能滿足數據采集時的需求。一般來說，由于自動化監測系統中的控制系統不是很復雜，I/O數量不是很多，所以可以采用精簡指令集的單片機。這種單片機在讀取指令和數據時分開進行，因此單片機速度不是很高，可以選用SONIX單片機或者PIC系列單片機。

2.1.2 傳感器設計

由于對于監測的需求不同，所以設計和安裝的傳感器也不同。溫度傳感器作為測量水質溫度的重要來源，除了提供本身溫度的數據之外，還可以作為pH值和溶氧量的支撐數據。在選擇溫度傳感器時，擬選用數字溫度傳感器，其將敏感元件、A/D轉換單元、存儲器等集成在一個芯片上，最重要的是可以直接輸出被測溫度的數字信號，對于自動化監測系統上會達到使用方便的目的。pH傳感器作為高智能化在線連續測量pH值的重要元件，可以監測水體中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號。由傳感器和二次表兩部分組成。在水質自動化監測中，為滿足系統對于pH測量的精確性，一般采用pH復合電極的傳感器，再通過配三復合或者兩復合電極從而滿足不同精度。溶氧量傳感器用以測量空氣中的分子氧溶解在水中的程度，目前常用于設計溶氧傳感器的原理分別為碘量法、極普式電流法。在選擇溶氧傳感器時，擬采用具有采用模塊化設計、應用廣泛、提供簡單的測量和報警功能、擴展功能軟件和硬件模塊化后可以應用于特殊的場合，如果需要，可使用擴展模塊等優點的元件。

2.1.3 GPRS模塊設計

在監測過程中，需對各個監測點位進行實時監控，而在監測后形成的數字信息發送至管理中心并做到處理并儲存，而監測位點分散、分布地廣會導致大部分裝置在環境惡劣的自動監測站所收集的數據通過電話線傳輸并不能達到理想的效果，所以GPRS作為一個現階段完美的替代品出現在自動水質監測中，GPRS是一種無限分組業務，它是基于GSM系統和無線分組交換技術而成生的技術，可以提供端到端、廣域的、無線的IP連接。GSM的撥號方式是電路交換數據傳送方式，而GPRS是分組交換技術，所以GPRS相對GSM而言是一種可以實現實時在線傳輸。按照流量計費，可以快捷登錄，最重要的是可以高效傳輸。總體而言GPRS是一個高速的數據處理技術，以分組的形式將處理的數據傳輸給需要數據的客戶。而在監測儀器處理完水質結果后，數據通過GPRS進行無線的網絡傳輸，進而將污染數據和警報信息及時反饋給相關部門，實現治理污染的部門制定相關處理策略，大大提高水質部門的工作效率。GPRS 因其實時在線，系統不存在流量延遲，可以同時接收并處理多個實施監測的數字信息，所以很好地滿足了系統對于數據實時性的要求。同時由于GPRS的存在，工作人員可以對各個監測位點的儀器進行開關，報告狀態等遠程操控。目前由于自動化的推廣，GSM/GPRS已經在大部分包括偏遠山區已經達到覆蓋，所以盡管是偏遠地區的水質問題也可以得到實時監測，不存在盲區[15-17]。GPRS為主的自動化監測水質系統的優點還有數據傳輸量大、花費小等。每次每個水質信息采集點的數據傳輸量需求大約為10 kb/s 。而GPRS 網絡傳送速率在最優時可達171.2 kbit/s，并且GPRS 實際數據傳輸速率在40 kb/s左右，所以GPRS應用于水質自動監測是完全符合需求的(圖4)。

圖4 GPRS運作

GTM900C模塊由于具有可以實現無線發送與接收、基帶處理、音頻處理、能耗小、價格適宜，與此同時支持EGSM900/GSM1800雙頻段、 PPP協議等優點，可以作為自動化監測水質系統的GPRS模塊的選擇。

2.1.4 人機交互系統設計

人機交互即用戶通過人機交互界面與系統交流，并進行操作。選擇和設計前臺人機交互界面非常影響用戶體驗，擬在人機交互界面加類似pH，溶氧等水質參數作為顯示模塊，通過使用觸摸屏產生信號來控制個子系統的工作。

2.2 水質自動化監測技術軟件設計

水質監測控制系統是環境監測系統的的重要組成本部分。自動化應用于水質自動監測信息系統是一個非常重要的課題，而上面討論了水質自動化監測系統所需要的硬件設計內容，監測控制軟件作為服務硬件的內容，更是作為整個監控的系統的一個不可缺少的一部分，整體軟件設計質量直接與整個自動化系統的實施與管理利害相關。而在設計軟件系統時的需求在于功能完善，運行穩定，安全可靠，配置靈活，可適配性強，并且方便擴充。雖然系統的硬件設施更新有可能會影響使用名單基本機構和已經實現的功能并不會改變。通過無線GPRS接入Internet的方式將應用層、控制軟件層與各層之間相交連，在中心南站設有一個FTP服務器，該服務器主要用于接收實時的水質監測數據，中心站通過各自動化監測站上傳數據，經由通信設備接Internet后由FTP服務器通過Socket編程實現通信。在編程語言的選擇上可以選用專門為.NET的語言即Visual C#.NET，因為其是一個覆蓋Windows客戶和Web通用，技術角度上，平臺技術是跨平臺跨語言的面向對象的基于組件的二進制標準的軟件平臺，并且是繼承優秀、擯棄歧義；語言高效但又保持功能強大，既有學院派的嚴謹語法，又有工業需要的強大和簡潔。

(1)系統主程序設計。自動化水質監測系統設定的程序通過控制單片機使整個系統按照預留程序步驟運行，而整個系統中包含有主程序(負責整個系統運行、調度)；子程序(負責運行主程序中的子單元)；中斷程序(可以中斷系統)3部分。主程序在完成數據參數初始化以后，通過統籌調度子程實現數據采集、數據衡算、數據傳輸、泵控制、管道清理等功能，而在運行過程中啟用中斷程序時，系統會保留當時實施情況，待重啟后，主程序會回到終端前狀態并繼續運行。

(2)系統子程序設計。設計數據采集的子程序，需要考慮到是否可以將水質傳感器的電壓信號通過A/D轉換成數字信號，因為A/D轉換按固定的時間節點對模擬信號取樣，根據取得的樣本大小，再參比既定的標準或算法計算出pH值，溫度，溶氧量等水質參數。

(3)前臺人機交互程序。為了滿足操作人員的要求，需要實現前臺人機交互交互的設計，需要體現以人為本的理念來設計軟件。比如為了避免不必要的操作失誤，需要保證界面簡潔，盡量不超過3層；如可將所需要的操作盡可能放在同一界面，方便操作；以上都是將操作做到“傻瓜化”的設計，使得監測方便。

(4)后臺運行程序的軟件設計。自動化水質監測系統的軟件部分設計主要采取模塊化設計，也就是將每一部分功能劃分出來，在編程特定程序成為特定模塊，而特定模塊代表著每個特定功能，其中包含有可以將儲存在數據庫里的各種參數(起始參數，儀器參數)，在開機后導入中心控制室的初始化模塊。其次是在得到原始水質數據和各種狀態信息數據進行處理的數據處理模塊。為了保證檢查測系統可以不間斷地進行數據監測，還需要建立可以實時監控儀器設備運行狀況的系統運行狀態模塊。以及為了方便工作人員可以遠程啟動或者操控而建立的遠操控模塊(圖5)。

圖5 主程序流程

3 水質自動化監測系統的安全與維護

由于水質信息的特殊性，在進行傳輸時需要進行信息的保護，水質信息產生的信道加密、信源加密、確定登錄、訪問、接入是否安全，成為水質信息安全的重要問題。可以在自動水質監測系統使用VPN，VPN即虛擬專用網絡，其功能在于在公共網絡上建立專用網絡，用以增加私密性，VPN可以通過對數據包進行加密并將目標地址的轉換實現遠程訪問。當將VPN應用于自動化監測水質系統中時，可有效阻止系統外對水質監測信息的攻擊和破壞，從而增加其隱秘性，保障系統即使出現硬件和軟件故障也能夠全天運行[18]。

由于儀器使用具有年限性，并且一些監測儀器所監測的部件長期浸沒于具有腐蝕性的環境，所以要對自動化監測系統進行定期的維護。首先需要進行站房查驗，排查儀表是否存在問題；其次監測避雷針是否插地，避免由于雷擊帶來的不必要的損失；然后及時清理水站分離裝置及儀表上的泥垢和水藻等，防止其腐蝕儀器；最后，校準儀器數據和儲存數據是否保持一致，從而保證數據精準，做到有效防控。

4 結語

水資源作為國家和人民經濟以及生活的命脈，需要利用最先進的科學信息技術來確保水資源正常可用。隨著經濟的發展，盡管需要繼續保護環境，但是資源短缺的問題也會逐漸加劇，所以成套的先進的水質自動監測系統成為重要需求。現階段所涉及的基于無線分組業務(GPRS)的自動化水質監測系統在實踐中中充分展現它的優點，即傳輸量大、傳輸快、成本低等，是一項值得推廣使用的自動化水質監測技術。