水生態環境物聯網智慧監測技術發展及應用研究

李夢婭

（四川佳士特環境檢測有限公司，四川 成都 611730）

水是人類賴以生存的生命資源，實時、準確地掌握水質參數狀況尤為重要。將物聯網智慧監測技術應用于水生態環境監測工作中，可以全面監控水質指標，及時掌握水質信息，實現連續監控，提高水資源循環利用率，解決水污染問題。

1 物聯網技術及應用

物聯網的結構大致分為三層：

第一，感知層。本層為感知終端，其組合包括傳感器技術、RFID 射頻標識技術、視頻采集設備，感知層能夠實現短距離的通信，將采集的環境參數轉變為電信號，按照電信號編碼生成傳輸數據報。

第二，傳輸層。本層次能夠對所采集的對象信息實施快速傳遞與高效處理，傳輸層集合了通信網絡技術功能，其通信方式主要有三種，分別是5G 網絡通信、ZigBee 網絡通信和藍牙通信[1]。

第三，應用層。本層次能夠做好數據鏈路與數據處理作業，提供各種服務，包括監測服務、交通服務、醫療服務、遠程教育服務等。

當前，水生態環境監測工作模式不斷優化升級，將物聯網技術應用于水生態環境監測工作，構成水生態環境物聯網智慧監測系統。水生態環境物聯網智慧監測技術系統網絡覆蓋范圍很大，擁有完善的網絡拓撲結構，能夠適應多種氣候變化，監測精度較高，主要可分為以下四種：

第一，ZigBee 網絡。這種監測網絡系統主要用于監測面積相對較大的湖泊、池塘，其傳輸距離在100米范圍內，屬于近距離監測和信息傳輸，網絡復雜度低，耗用成本較少，數據傳輸速率也相對較低，工作時長在半年到兩年。

第二，5G 網絡。5G 網絡覆蓋范圍廣泛，傳輸速度快，距離遠，能及時收集和發送信息，準確獲取水生態環境監測結果，工作時長為數小時。

第三，藍牙網絡。這種監測網絡系統的體積、功耗與成本都比較小，傳輸速度快，通常難以實現大范圍和遠距離傳輸。因而，只能監測小面積水域。

第四，Wi-Fi 網絡。這種監測網絡系統能夠實現長距離傳輸，傳輸速度也很快，主要應用于Web、圖像和Email 管理，工作時長在數小時內。

相比之下，ZigBee網絡應用頻率更高，范圍更廣泛，可以監測大面積水域，工作時長比另外三種網絡系統更具優勢，成本與能耗低。同時，ZigBee 技術網絡系統嚴格遵循IEEE802.15.4 標準，構建了完善的物理層，集中整合了網絡安全、邏輯網絡與物聯網應用層技術，安全可靠性良好，能夠適應不同的氣候環境，應對能力很強。

2 水生態環境物聯網智慧監測技術發展及應用方案

2.1 發揮ZigBee 技術優勢

ZigBee 網絡系統有顯著的優勢，能夠滿足大面積水域監測工作需求。在水生態環境物聯網智慧監測技術發展和應用過程中，首先，要充分發揮ZigBee 技術優勢，進一步改善水環境監測技術體系，運用ZigBee技術來實現無線監測，優化網絡結構，促進遠程監測控制系統升級，確保在線監測的連續性。其次，國家環保部門為了進一步優化ZigBee 技術網絡系統，構建了ZigBee 協議棧。在組合架構中，ZigBee 協議棧是由應用層/行規、應用架構、網絡/安全層、數據鏈路層和物理層共同組成。各層結構發揮各自功能的同時會密切配合，全面做好水環境監測工作。其中，應用層/行規對所有傳感器的應用規則予以規范，重點做好水環境監測代碼開發工作。應用架構層會在ZigBee網絡上對應用層的各項應用予以映射[2]。網絡/安全層可以提升各節點的通信服務效率，建立完善的網絡拓撲結構。數據鏈路層會處理好鏈路上的數據流，仔細檢查數據結構，處理錯誤問題。物理層用于選擇適宜的頻段，探測信號，做好數據調制與解調工作。

2.2 水生態環境物聯網智慧監測系統整體設計工作

發揮水生態環境物聯網智慧監測技術系統功能，要做好系統整體設計工作。從設計流程來看，首先要立足于整體設計目標，精準選擇系統監測項目。水生態環境監測項目要結合水體要求進行合理選擇，要注意根據河流、湖泊、飲用水源地等不同水體的要求，一并納入必測項目，科學選擇其他項目。河流的必測項目包括溶解氧含量、水溫、pH 值、高錳酸鹽指數、BOD5、總氮含量、化學需氧量、氨氮含量、總磷含量、銅元素含量、鋅元素含量、氟化物含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、鎘元素含量、鉻元素含量（六價）、鉛含量、氰化物含量、揮發酚、石油類含量、陰離子表面活性劑、硫化物含量等。選擇項目通常有兩個：甲基汞和總有機碳。

湖泊（包括水庫）必測項目與河流基本一致，并在其基礎上增加了糞大腸菌群。湖泊的選測項目有四個：甲基汞、總有機碳、硝酸鹽、亞硝酸鹽。在準確監測湖泊的溶解氧、鹽分含量、pH 值、亞硝基氮、氨氮和總氮等水質參數后，需要結合實際情況實施調整與控制。如果是淡水湖，就要將水體的pH 值控制在7.5到8.5 之間。如果湖泊水體的pH 值小于7，就要通過加入生石灰來增加pH 值。假如湖泊中的pH 值大于9，就需要通過加注足量的淡水予以調節。對于溶解氧，需要將其調整到5mg/L 以上，如果缺氧，就要注入氧，以免湖泊中的水生物死亡，并定期對湖泊水體進行潔凈處理。為了降低淡水湖里的有機物，則需要根據水質監測數據來投入足量的沸石粉，這樣可以對水質進行優化和改善，使水中的有機物得以降解，并吸附氨氮。對于湖泊中的亞硝酸鹽，要確保其低于0.1mg/L，二氧化碳不能高于20mg/L 到25mg/L 的范圍，要將硫化氫控制在0.2mg/L 以下。對于湖泊中的浮游植物量，需要控制在20mg/L 到100mg/L 的范圍內。

飲用水源地對水質的要求非常高，水生態環境監測工作比普通的河流、湖泊嚴格，必測項目包括溶解氧含量、水溫、pH 值、水中懸浮物、高錳酸鹽指數、化學需氧量、BOD5、氨氮含量、總磷含量、總氮含量、銅元素含量、鋅元素含量、氟化物含量、鐵元素含量、錳元素含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、鎘元素含量、鉻元素含量（六價）、鉛含量、氰化物含量、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物含量、硫酸鹽含量、氯化物含量、硝酸鹽含量和糞大腸菌群等。選測項目有三個：有機磷農藥、硫酸鹽、碳酸根。

在整個必測項目中，工作人員應著重監測五大參數，分別是溶解氧、水溫、pH 值、電導率和水的濁度。選定監測項目后，對參數性能指標予以確定。通常，溶解氧（mg/L）的測量范圍在0-20，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在0.3 以內；水溫（℃）的測量范圍在0-100，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在5%以內；pH 值（無量綱）的測量范圍在2-22，儀器分辨率的要求是0.01，測量誤差控制在0.1 以內；電導率（mS/m）的測量范圍在0-500，儀器分辨率的要求是1，測量誤差控制在1%以內；水的濁度（NTU）的測量范圍在0-100，儀器分辨率的要求是0.1，測量誤差控制在5%以內[3]。

在人工采樣和測量工作中，必須緊密結合不同水體功能、水體環境與水文要素，遵循最低采樣頻率，獲取最具代表性的水樣，確保樣品能夠反饋水環境的情況。對于飲用水源地水質監測工作，需要按照每月一次的規則實施采樣測量。其他水域可以采用每年六次的采樣工作。

在設計水生態環境物聯網智慧監測技術系統框架的過程中，需要按照數據流的模式，依次設計采水單元、配水單元、分析單元和控制單元。其中，采水單元組合模塊包括水泵、管路與供電設施及安裝結構，該單元系統能夠采集水樣，在設計過程中，要注意增強系統設備的環境適應能力；配水單元系統的組合裝備有三種，分別是水樣預處理設施、自動化清洗裝備和輔助設施，該系統會對水樣進行處理，然后將水樣配送到測量點；分析單元系統包括自動化分析儀器設備和測量儀器，該單元系統能夠做好水質參數測試分析工作；控制單元由通信設備、數據處理與存儲模塊、系統控制柜、基站控制與監控設備組成。

2.3 改善水生態環境物聯網智慧監測系統硬件電路

傳感器節點處于水環境監測的第一現場，要在所監測的湖面上安裝傳感器網絡收發設施，并做好必要的防水工作。在系統配置過程中，需要將電化學傳感器安置在湖面以下的探頭頂端，運用傳感器節點做好所有數據采集作業，采集數據是否精準、完整，則需由傳感器探頭轉換方式的正確與否、設備監測精度，調理電路的正確性與放大倍數、ADC 轉換精度以及分辨率共同決定。優化水生態環境物聯網智慧監測技術系統，改善系統硬件電路，理應依次做好溶解氧傳感器節點、水溫傳感器節點、pH 值傳感器節點、電導率傳感器節點和濁度傳感器調理節點設計工作[4]。從水生態環境監測標準角度來講，在溶解氧監測工作中，會使用新型三電極體系傳感器，陰極與陽極是兩根呈雙繞的細鉑絲，在應用過程中，會將其封閉于隔膜的電解液溶液內，借助銀絲帶充當參比電極。這樣測量精度很高，也不會污染水源。在溶解氧傳感器節點設計工作中，要嚴格遵循溶解氧調理電路設計原理，采集微弱的電流信號，輸出微機進行處理，使電流轉化為電壓信號，運用放大電路來獲取參數。

水溫傳感器節點即溫度傳感器節點，在具體設計中，需要配置溫度傳感器DS18B20。工作人員將其設置為一線型總線式結構，對數據信、地址線與控制線集成設計。從應用效果來看，溫度傳感器DS18B20 能夠準確測量溫度，設備外形輕巧，測量精度非常高。對于水溫傳感器節點的工作電源，適宜借助微機引腳實施供電，有助于節省更多資源，轉換時間在100 毫秒到700 毫秒之間，抗干擾能力良好，安全可靠性高。

pH 值傳感器節點用于測量水中的pH 值，選用電極型pH 值傳感器就能夠滿足地面水和湖泊水的測量工作需求，運用電位計法準確測量電池電動勢，然后，計算出水中的pH 值。在水環境監測工作中，水質越良好，電導率越弱。在電導率傳感器節點設計工作中，需要根據實際需求，選用適宜的傳感器。當前電導率傳感器可分為三種：電極型傳感器、電磁型傳感器、超聲波型傳感器，要根據物理測量原理來配置相應的傳感器。

水中普遍含有各種懸浮物，當光在水中散射、投射或者吸收變化時，水會變得渾濁，其渾濁的程度被稱為濁度。濁度是水環境的重要監測參數，直接影響飲用水的質量、水中生物的生存狀況與工業用水質量。準確測量濁度，必須設計好濁度傳感器調理節點。在濁度傳感器調理節點設計工作中，需結合傳感器的特性不斷優化水生態環境在線監測系統，正確運用傳感器監測水的濁度信號。濁度傳感器分為散射式傳感器和投射式傳感器，兩種傳感器各有優點，前者應用范圍更廣泛。

2.4 促進水生態環境物聯網智慧監測系統軟件升級

提升水生態環境物聯網智慧監測系統應用效果，必須重視促進系統軟件升級，充分借助物聯網技術和人工智能技術優化系統軟件功能，做好軟件開發工作。當前基于物聯網水環境在線監測系統軟件設計是以CC2530生產廠商TI公司所提供的Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0為基礎依托，其物理層與網絡層將ZigBee 的標準802.15.4 作為設計參考。同時，會運用嵌入式軟件開發模式來完成路由節點與匯聚節點的CC2530 的51 內核軟件設計工作，嚴格遵守硬件接口電路設計原理，全面做好上位機軟件設計工作[5]。

3 結語

綜上所述，全面優化水生態環境物聯網智慧監測技術發展和應用方案，應充分借助ZigBee 技術來實現無線監測，精準選擇系統監測項目，合理確定參數性能指標，不斷改善水生態環境物聯網智慧監測系統硬件電路，持續促進系統軟件升級。