水质如何，秒测

田媛

孙坚的课题是基于无线传感器网络的水质监测。在介绍他“高大上”的课题内容时，他说：“我只是一个在电脑前搞编程和敲代码的程序员。”

匠人该退了水污染类型多样，苯、二氯乙烷、乙二醇等有机毒物造成的水污染，会毒死水生生物，一些重金属如铜、镉、汞、砷等，含量超标也会严重影响水生生物的生命。这些多类型的污染许多需要借助专业测量工具才可鉴别。以往传统的检测方法费时费力，读研后，孙坚跟着导师开始了“面向水环境监测的无线传感网络”课题的研究。

其实，这种无线传感的方法，孙坚从本科时就开始尝试了。一次，他研究用于测试房间空气是否超标的甲醛监测盒，“当时我本科的专业是计算机技术，所以第一个想法是如何用计算机编程的方法去完成空气中某些气体含量的监测，但是编程只能解决软件处理的工作，硬件部分还需要摸索。”两个月后，孙坚选择将传感器作为硬件设备，“它可以将感受到的信息变换成电信号或其他形式的信息输出。”

由于人们对不同类型房间的使用要求可能不同，孙坚设计了不同的传感器，比如卧室需要可以感应甲醛的传感器，厨房需要可以感应甲烷和一氧化碳的传感器，还有一些能感应PM2.5、感应温度或者湿度的传感器等等，它们都可以将所感应到的信息以电信号传输给总控制器，然后就可以在计算机上看到每一种待监测气体含量的具体数值。“这段经历让我对无线传感网络这类型的课题有了一定了解和项目经验，而且我实实在在地了解过传统水质监测的过程，也思考过它的一些不足之处，我对用计算机来对水环境进行监测有很大的信心。”

传统的水质监测很辛苦，比如要测试山顶泉水的质量时，师傅们经常背着一个大书包，用一根树枝作拐杖，跋山涉水爬到山顶瀑布口，用矿泉水瓶灌满一瓶水，再带回到城市的实验室完成检测，无论酷夏还是严寒，每周一次绝不缺席。虽然这种匠人精神让人十分敬佩，但已经不能适应如今需求，“这种方法不能实时得出监测结果，水质监测员艰难取样后，得到的检测结果已经是好几天前的了，如果某一地区的水源因为污染

物泄露，或者其他什么原因在某一段较短的时间内发生剧烈的改变，这种监测方式显然不能及时发现问题；另外，不论在时间还是空间上，它都无法完成全方位测试，比如无法监测水温的变化，无法监测水下较深的区孙坚域等；最重要的是，传统的水质监测方式都是人工监

测，人力物力成本都比较高。”

南京邮电大学计算孙坚加入课题组后，没过多久就成了小组长。团机软件学院研究队从传统水质监测无法完成全方位测试作为突破口，生，目前在江苏省无线传感网高技术首先开发出了能适应各种水下监测的传感器节点。节研究重点实验室做点被放置在需采样的水域后，就可以实时感知水环境课题中的关键参数了。除了硬件，团队还自主开发了一套水环境监测的软件系统，使无线传感器节点与服务器之间形成双向通信，“这样一来，我们只需要查看计算机屏幕上显示的数据，就可实时知道待测的水环境情况。这些节点可以长期放置，以实现长时间的监测。”

虽然整套方案看上去十分有效，但实际操作起来的难度却远远超乎了想象。“我们碰到的最大的拦路虎是各种电路板的研发设计，因为传感器在水下接收到的信号很弱，也很容易受到外在其他信号源的干扰。就拿PH傳感器来说，现有的PH传感器有上千种，我们通过查阅资料，咨询各类传感器的公司和专家，还有实践和模拟，最后采用了一种工业级的PH复合电极来采集水质的PH值，可这个传感器如何与单片机和电池板相连接又是个问题，经过上百次的摸索，我们终于设计出了一个合适的电路方案。”

此外，团队还根据水环境的特点，对现有节点体系结构中传感模块、通信模块、控制模块的集成和微型化等方面进行了改进。“改进的主要原则和目的就是线路更优化，信号采集更直接，信号输出更准确。”解决了一系列难题后，这一整套软硬件设备被搬到太湖水域，开始了实地监测。

太湖试水

2016年8月，孙坚团队来到了中科院太湖观测站。“开始工作后，我们先租了一条小船进行布点，就是把那些传感器节点抛到水面上。当然抛的时候也不是随随便便抛，布点也是有讲究的，比如在菱角这一类水面植物多的水域附近，我们布点就会比较浅，在水下植物多的水域，布点就会比较深；在有人活动的靠近岸边的区域，布点会比较密集，在远离岸边的水域，布点就稀疏一些。”

布点完成后，“只要打开计算机里我们为完成水质检测而开发的软件，进入系统的页面后，点击数据查询这个选项，再输入我们需要查询的节点编号，就能看到我们所需要的各种数据了。”只见孙坚用鼠标点击“完成并开始查询”后，不到 1秒的时间，屏幕上立刻显示出了包括时间、节点号、温度、深度、 PH值以及节点坐标等各种信息。孙坚说：“这个软件除了可以实时查询某一节点附近的水质监测情况，还可以将各种所需的数据图形化，更直观更具体。”

说着，他点击了软件上的“查询节点能量”这一选项，计算机屏幕上便出现了一幅折线数据图，以当日早晨8时到中午12时为时间轴，我们看到，水温在10

不到1秒的时间，屏幕上立刻显示出了包括时间、节点号、温度、深度、PH值以及节点坐标等各种信息。

时到11时上升的速度最快，所有的数据一目了然。孙坚告诉我们，第一天团队成员们在太湖的岸边看到这些监测数据第一次出现在计算机屏幕上时，当场的所有人几乎都要跳起来了，“真的太激动了，这一年多来，我们真是经历了无数失败，才算圆满地完成了这次任务。”

孙坚很快从成功的喜悦中平静下来，“其实我们还有再提高再完善的地方。”随后，孙坚提出了两个改进的方向，“一是后台系统可增加提供历史水质监测传感数据的查询功能，对数据的变化趋势进行一些分析，这样当数据超出正常范围时，系统可以报警。二是可以研发基于移动终端设备的水环境数据监测，也就是开发出一款手机软件，通过无线网络和移动终端设备与后台服务器进行交互，让我们能直接在手机上查询到所需要观测的水质检测节点处的水质情况，完成数据的实时共享，实现远程控制、维护和管理。这样的话，只需要携带一部手机，就可以实现对水环境数据随时随地的监测。”

责任编辑：曹晓晨

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