水質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)與藥劑智能調(diào)配投放系統(tǒng)及硬件設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

劉書(shū)杰，王博，周旺平，周文科

（揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 社會(huì)背景

水是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一，但是，當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)令人堪憂。我們需要通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行治理、保護(hù)。目前，針對(duì)封閉水域，雖然采用多種手段凈化水質(zhì)，但需治理水域存在面積小、流動(dòng)性差、水質(zhì)凈化和治理能力弱等客觀問(wèn)題，此外，生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)的好壞對(duì)周邊環(huán)境要求較高。自然或非自然因素容易對(duì)水體造成重金屬污染、富營(yíng)養(yǎng)化等化學(xué)因素新污染威脅，由此水體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性通常得不到保證。例如，水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)對(duì)水體質(zhì)量的要求較高；水質(zhì)的好壞直接影響水產(chǎn)品的質(zhì)量與價(jià)格。隨著生活品質(zhì)的提高，原生態(tài)經(jīng)濟(jì)取得了前所未有的好轉(zhuǎn)。而水產(chǎn)養(yǎng)殖類產(chǎn)品質(zhì)量低下、缺乏保障等問(wèn)題嚴(yán)重影響了我國(guó)高質(zhì)量水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。因此，水質(zhì)的調(diào)控對(duì)于優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品的生產(chǎn)尤為重要。此外，鄉(xiāng)村河道、人工湖等水域的生態(tài)自我凈化能力較弱。一旦受到污染物的影響，水質(zhì)會(huì)迅速惡化，導(dǎo)致土壤板結(jié)、龜裂，從而使得觀賞效果會(huì)大打折扣，不利于美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)。如果為了改善受污染的水體而重新?lián)Q水，既不經(jīng)濟(jì)，也不利于可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也是對(duì)水資源的浪費(fèi)。而采用人工直接治理的方式使人直接在岸邊將大量的藥劑投入水體，存在打破原有水體的平衡的可能，甚至?xí)斐啥挝廴镜葒?yán)重后果。

不論是“綠水青山”還是“三農(nóng)問(wèn)題”，都離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備的支撐。可以就船舶自動(dòng)化的、遠(yuǎn)程的控制機(jī)器自行完成水質(zhì)取樣、藥劑投放問(wèn)題。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和深入研究，設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試、實(shí)踐，最后優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終提出本次項(xiàng)目方案。

2 技術(shù)背景

與歐美國(guó)家相比，我國(guó)水質(zhì)治理監(jiān)測(cè)工作起步較晚。當(dāng)前我國(guó)水質(zhì)治理產(chǎn)業(yè)雖得到了跨越發(fā)展，但受水質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)－藥劑智能配置投放交互影響機(jī)理缺乏、系統(tǒng)與硬件匹配性差、受智能化整體水平低等制約，藥物投放硬件裝置在穩(wěn)定性、信息化、智能化水平等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距，智能機(jī)械化水平較低。如今提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)行以信息化和智能化為特征的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，是未來(lái)人工向水質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)與藥劑智能調(diào)配投放一體化設(shè)備轉(zhuǎn)型的重要方向。

綜上所述，本文從水體環(huán)境信息獲取、藥劑精準(zhǔn)管控、水質(zhì)環(huán)境智能精細(xì)化調(diào)控、云端數(shù)據(jù)交互管控以及智能云平臺(tái)管理等方面出發(fā)，開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)管控的藥物精細(xì)化高效投放關(guān)鍵技術(shù)研究，解決目前水質(zhì)調(diào)控過(guò)程中智能化水平低、生產(chǎn)管理粗放、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)維護(hù)成本高等問(wèn)題，提高水質(zhì)調(diào)節(jié)管控智能精細(xì)化水平。利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行主要參數(shù)實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸、經(jīng)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行藥物投放裝置的遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了水體酸堿性以及其他水質(zhì)的連續(xù)調(diào)節(jié)與優(yōu)化調(diào)控，并與不同省份、地區(qū)的不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相融合，可適用于不同水域的水質(zhì)檢測(cè)與藥物投放，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)調(diào)節(jié)一體化精確控制。

2.1 研究?jī)?nèi)容

本文以不同的水域?yàn)橹饕獙?duì)象，以高效、精準(zhǔn)、智能為目標(biāo)，從水體環(huán)境信息獲取、藥物比例精準(zhǔn)管控、水體環(huán)境智能精細(xì)化調(diào)控、云端數(shù)據(jù)交互管控以及智能云平臺(tái)管理等方面出發(fā)，開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)管控的水自動(dòng)檢測(cè)與藥劑智能調(diào)配投放系統(tǒng)及藥物投放裝置的研發(fā)應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容如下：

2.1.1 設(shè)水體DO、pH、水溫，導(dǎo)電率/TDS等感知與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

借助船體的水質(zhì)檢測(cè)裝置將收集的水質(zhì)信息，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將信息經(jīng)過(guò)云端計(jì)算輸送到地面控制系統(tǒng)，地面控制系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析并得到最優(yōu)的水質(zhì)調(diào)解方式，并將調(diào)解信息通過(guò)原渠道反饋到藥物投放裝置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一水一策的水質(zhì)調(diào)節(jié)（圖1）。

圖1

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的裝置通過(guò)檢測(cè)需要的水質(zhì)指標(biāo)（如pH、DO、水溫，導(dǎo)電率/TDS等）來(lái)反映水質(zhì)是否符合周邊環(huán)境或?qū)?yīng)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)云端服務(wù)器處理進(jìn)而被發(fā)送到地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，將信息傳達(dá)給用戶，用戶可以根據(jù)顯示的信息對(duì)河道進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，同時(shí)，還可以根據(jù)與實(shí)際水質(zhì)的情況計(jì)算分析需要供應(yīng)的藥劑的類型和配比，然后利用STM-32單片機(jī)操作系統(tǒng)控制設(shè)備的各個(gè)部件，再通過(guò)藥劑智能調(diào)配混合系統(tǒng)，將提前在原料箱中備好的原料（如酸堿鹽、重金屬鹽類、鹵素類、微生物類等）按照系統(tǒng)指示比例要求混合配置和定點(diǎn)定量投放，使整個(gè)裝置成為一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的完整裝置，實(shí)現(xiàn)硬件與環(huán)境的智能感知。并由此達(dá)到改善水質(zhì)的目的。最終通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在無(wú)人駕駛船搭載藥物投放裝置并適配系統(tǒng)，就可以在無(wú)人船兩側(cè)進(jìn)行藥物的直接投放，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的藥投放及通過(guò)提供適當(dāng)藥劑來(lái)改善水質(zhì)，加速自然生態(tài)的恢復(fù)，以達(dá)到提高效率的目的。水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與藥劑智能調(diào)配投放裝置，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題的“早發(fā)現(xiàn)、早治理”，提供更平衡的生活環(huán)境，促進(jìn)環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)，從而減輕水質(zhì)維護(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)與人力投入。

2.1.2 基于水體信息的藥物智能精準(zhǔn)管控技術(shù)研究

針對(duì)水體治理管理存在差異，現(xiàn)有藥物配比不精確、調(diào)控長(zhǎng)時(shí)滯、藥液濃度不能連續(xù)調(diào)節(jié)以及調(diào)控裝置損耗較大等特點(diǎn)，難以做到實(shí)時(shí)在線精準(zhǔn)調(diào)控等問(wèn)題，采用基于水體DO、pH、水溫，導(dǎo)電率/TDS等多源感知的藥劑信息一體化在線精確測(cè)量技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于水體污染信息的藥劑信息一體化在線精準(zhǔn)反饋控制系統(tǒng)，研究基于化學(xué)成分決策處方的不同元素的精準(zhǔn)配比技術(shù)，分析不同線速度和變量控制信號(hào)對(duì)動(dòng)態(tài)施藥量分布均勻性的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)藥液濃度的在線快速連續(xù)調(diào)節(jié)，藥物投放作業(yè)的優(yōu)化調(diào)控，控制誤差≤5%FS，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間≤5秒，滿足藥劑利用率≥95%。

3 硬件技術(shù)

3.1 水質(zhì)改善裝置的總結(jié)構(gòu)組成

該排放裝置包括藥劑調(diào)配單元、進(jìn)水管道和投放單元；藥劑調(diào)配單元包括原料儲(chǔ)存?zhèn)}，原料儲(chǔ)存?zhèn)}具有多個(gè)獨(dú)立的藥劑儲(chǔ)存腔，多個(gè)上述藥劑儲(chǔ)存腔均連通有藥劑輸送管道，藥劑輸送管道設(shè)置有電動(dòng)限流單元，藥劑輸送管道遠(yuǎn)離上述原料儲(chǔ)存?zhèn)}的一端連通有混合管道，上述混合管道開(kāi)設(shè)有藥劑排放孔；進(jìn)水管道的一端連通于上述混合管道，進(jìn)水管道遠(yuǎn)離混合管道的一端用于外接水源；投放單元包括投放船，投放船設(shè)置有支撐架，原料儲(chǔ)存?zhèn)}設(shè)置于上述支撐架的上側(cè)。可實(shí)現(xiàn)投放藥劑的自動(dòng)配比和投放，具有精準(zhǔn)度高和安全性高的優(yōu)點(diǎn)。圖2～4為該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三視圖，裝置也主要由3部分組成：水質(zhì)檢測(cè)裝置、藥物投放裝置、計(jì)算操作模塊。

3.2 藥劑定時(shí)定量投放的結(jié)構(gòu)裝置

為解決勞動(dòng)量大及工作效率低等問(wèn)題，采用了定量定時(shí)的投放裝置，該裝置包括導(dǎo)流管道、原料箱、藥劑輸送管、混合管道、流量調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。流量調(diào)節(jié)閥上設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上連接定時(shí)控制器，用于控制及轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)與停止。在流量調(diào)節(jié)閥前面安裝液體流量計(jì)，因?yàn)樵显噭┝鲃?dòng)時(shí)通過(guò)的管子的橫截面積是一定且不變的，通過(guò)液體流量計(jì)，我們可以知道液體的流速。

在使用時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥上的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的打開(kāi)，通過(guò)分析得到的最優(yōu)水質(zhì)調(diào)節(jié)方法，且已知液體流量計(jì)流速的情況下，設(shè)定好相應(yīng)的定時(shí)控制器時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量投放。最后，混合管道中的混合藥劑通過(guò)混合管道上的藥劑排放孔流入該水域。

此外，因原料中含有化學(xué)試劑，所以為防止原料出現(xiàn)揮發(fā)、升華、潮解、水解以及氧化等變質(zhì)現(xiàn)象所導(dǎo)致的試劑損耗問(wèn)題，我們采用了隔離、避光、低溫及通風(fēng)的方式，對(duì)不同的原料搭配合適的儲(chǔ)存方式。

3.3 關(guān)于水質(zhì)檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)明細(xì)

為了更加清晰地了解水質(zhì)情況，以前需要人為取水在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，本裝置配備有相關(guān)的水質(zhì)檢測(cè)裝置，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并將水質(zhì)檢測(cè)信息以及所在地理位置上傳給用戶。水質(zhì)檢測(cè)裝置有在線ORP傳感器、在線數(shù)字pH傳感器、四點(diǎn)極電導(dǎo)率傳感器、UV254 COD傳感器等。實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)（溫度、溶解氧、pH值、COD、電導(dǎo)率、葉綠素a）等環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。最后，利用無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)監(jiān)控平臺(tái)和船載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。用戶通過(guò)檢測(cè)的數(shù)據(jù)控制環(huán)保船下一步的行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度、響應(yīng)速度快的效果。

3.4 附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本文實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，便于理解，以圖2～5表示出了本文的某些實(shí)施例，因此，不應(yīng)被看作是對(duì)范圍的限定。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖（圖中，1.進(jìn)水管道，2.支撐架，3.原料儲(chǔ)存?zhèn)}，4.注水孔，5.藥劑輸送管道，6.流量調(diào)節(jié)閥，7.導(dǎo)流管道，8.混合管道，9.藥劑排放孔）。

圖2 一種藥劑智能配置排放裝置的主視圖

圖3 一種藥劑智能配置排放裝置的側(cè)視圖

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 一種藥劑智能配置排放裝置的俯視圖

圖5 一種藥劑智能配置排放裝置的控制原理圖

本文設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是以STM32開(kāi)發(fā)板為核心的藥劑智能調(diào)配投放系統(tǒng)以及硬件的研發(fā)設(shè)計(jì)。藥物的智能調(diào)配與投放裝置一定程度上解決了人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員安全得不到保障、水體得不到精確化的治理等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的項(xiàng)目具有效率高、智能化和降低人工成本等的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精確化治理，也起到了節(jié)省藥物的功能，更不會(huì)對(duì)其他水體造成二次污染。提升效率的同時(shí)，也提高了藥劑的利用率，具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性。