基于物联网技术在线水质监测系统设计与应用

乔雄辉，闵 雄

（1.远光软件股份有限公司，广东珠海 519000；2.广东平方科技有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

根据国家2016 年12 月11 日印发并实施的《关于全面推行河长制的意见》，珠海市政府随即印发《珠海市全面推行河长制工作方案》的通知，并启动《珠海市全面推行河长制“一河一策”实施方案》的编制工作，旨在基于通过布署物联网在线式的水质监测系统，进行远程河涌（渠）道水质数据监测及监管，形成管辖区内水质的大数据。依据监测数据进行模型分析，实现管辖区内水质变化规律的可视化管理，从而提供科学的决策数据支撑[1-2]。

珠海市辖区内的河涌（渠）道分布较广。现行主要的管理手段是依靠人工定期巡查及临时从相关河涌（渠）道中抽检采样进行管理，即人工携带采样桶到现场采样，采取的水样装瓶后再送到检测中心化验分析。这种传统的人工作业方法因人而异，采样作业方式各异，现场水位也不统一，常常遇到水太浅无法取样，水太深又无法统一采样标准。特别是水位变化较快的河涌（渠）道，从而严重影响水样的代表性。另外，受限于人力及交通原因，现有检测的频率及密度次数有限，导致较大的监管实效性问题。另外，在湖泊中的取样还伴有人身安全风险，给水质监管及河涌（渠）管养提升工作带来了极大的困扰。

国内目前也有一些研发生产在线水质检测系统的厂家，但大部分的产品是岸边站房的形式，体积大且需要配套土建工程。一般是先建造一座站房，将相关设备安装在室内，并配备相关温控及排水清洗等管道系统。工程实施和安装较为复杂，费用投资成本较大，且对现场实施场地环境有一定要求，推广使用存在一定的局限性。

1 系统概述

基于物联网+传感器技术的水质在线监测系统是以多参数在线水质检测传感器为核心，结合计算机（包括软件）技术、机电控制技术、流体取样技术等高度集成的一套完整的自动分析系统。根据水质检测的要求，快速地对水样进行自动采样并检测水温、分析溶解氧（DO）、氨氮、pH、化学需氧量（COD）、浊度、氧化还原电位（ORP）7 个水质指标参数，同时监测水位高度和降雨量2个辅助参数。利用物联网协议和4G 网络传输等技术实现快速、实时、准确地获取河涌（渠）道的水质状态信息。超低功耗设计为工作状态小于150 mA、休眠小于20 μA，定时采集并支持远程唤醒。支持市电接入、太阳能+锂电池供电，在无市电情况下支持全天的在线监测工作。报送方式采用自报、自报-确认、应答3种兼容的混合式工作模式，同时兼备对设备电源电压，工作环境温度及系统状态信息的实时监测[3-6]。

2 系统架构及工作流程

此系统主要由服务器端，嵌入式端和执行设备端3 层架构组成。其中服务器端包括接收模块、转发服务模块、展示模块、存储模块、设备端管理模块和日志。嵌入式端主要包含主控板和核心板。主控板由执行控制、数据采集、通信交互控制模块组成；核心板由服务器通信、配置和升级文件及扩展功能模块组成。执行设备为具体的底层采样分析检测设备，主要包括取水泵、电控水阀、水流检测开关及相关传感器。水质监测系统架构如图1所示。

图1 水质监测系统架构图

水质监测系统具体工作是以主控板为核心进行流程控制。主控板根据水质监测的业务需求控制执行设备，完成水位检测，同时判断是否符合最低取样标准，然后进行抽水采样、沉淀、检测，最后排水。水质检测传感器检测的数据结果在主控板上缓存，主控板定时启动核心板将本地缓存的水质数据通过核心板上传到服务端。用户（管控中心）可在服务器端查看设备运行状态及相关检测数据，并根据工作或业务需要对设备进行参数配置或软件更新操作[7-9]。

3 系统安装及使用情况

本系统其中的一个监测点于2019 年12 月15 日在珠海湾仔海鲜街排洪渠施工完成，并于2019年12月19日正式开始投入运行。系统设置的运行参数如下：检测周期为20 min/次，最低取样水位为10 cm。即当水位低于10 cm时，不进行采样取水作业。按此工作频率，理论上每天有72组数据，每周有近500组数据。和之前每周2次固定采样和每月2次的随机抽检采样的人工作业方式相比，现在系统运行一周的数据即相当于人工作业全年的数据，极大提升了检测频率及次数。

此监测点主体设备图如图2所示，河道取水设备图如图3所示。

图2 主体设备图

图3 河道取水设备图

主体设备主要技术参数如表1所示。

因系统采集数据密度较大，以近期3 天的数据生成了如图4～8 所示的数据波形图，作为简要说明（主要摘出水位、化学需氧量、氨氮、氧化还原电位）。从图中可以明显看出，此监测点的相关参数有规律性变化。例如，水位高度的峰值在夜间0点左右，最高水位1.5 m，最低却在0.1 m以下，且低值在上午10点以前，水位的急剧变化在晚上0点左右，pH值基本稳定，说明短时间内，此区域没有强酸强碱物的大量排放。化学需氧量（COD）值基本稳定，但在15 日出现小峰值，然后又回落，氨氮的峰值基本出现在中午和晚上用餐时间（因附近有大量餐厅），氧化还原电位（ORP）规律性在上午10点左右出现低值。相信经过一段时间的投运，根椐采集的数据波形图，完全可以掌握此检测点水质的详细变化情况及趋势。

表1 水质在线监测系统技术指标

图4 水位趋势波形图

图5 PH值波形图

图6 化学需氧量COD波形图

图7 氨氮波形图

图8 氧化还原电位波形图

4 安装实施注意事项

根据这次安装实施的情况总结以下经验。

（1）安装位置。综合排污管道、潜在的水质易污点，建议按照以下原则进行选择：①尽量选择在水质易污区位；②靠近桥梁、岸边有混凝土基础，便于相关设备的部署；③最好具有电力基础条件，若无市电条件，建议在阳光直射点，避免在大树下及阴凉处，以保证太阳能供电效率。

（2）采样点。①尽量选择水位最深点，避免在枯水期受水体底部泥沙的影响；②根据采水点的实际地形等实际情况，选择潜水泵或自吸泵，原则上优先考虑潜水泵；③采样取水头一定要多层过滤处理并定期更换，避免异物堵塞取水管。

（3）预处理。在运行过程中，发现采样取水头很容易被水中异物、泥沙等影响，造成堵塞等采样问题。针对这种情况，建议设置沉淀箱，先将抽上来的水进行过滤及一定时间的沉淀；然后再从沉淀箱二次采样进行后续检测分析；同时在采样前，系统应从进水口到整个系统的出水口进行一定时间的清洗程序，这个自动清洗程序能最大限度地确保水样避免交叉污染。

5 结束语

本文介绍的在线水质监测系统每20 min 进行一次检测，并实时自动采集信息，生成报文；通过物联网协议及时把数据同步传输到管控中心，支持管控中心下发指令、临时抽检作业、远程配置管理、远程阀值预警等功能；给水质模型分析软件提供大量基础数据，从而依水质变化趋势实现有效预警，也可以根据实时水质参数之间的关联组合表现的综合性质，为决策人员提供大量客观详实的有效数据和判断依据。另外，该系统设备相对市面上的产品体积小、集成度高，能直接在户外使用，安装简洁，无需复杂的土建站房工程，费用成本有较大的优势以及市场前景。

在倡导“青山绿水就是金山银山”的今天，随着国家对环境保护的空前重视及管理工作的不断细化及深入，在线水质监测系统随着信息化技术的逐步深入推广及使用，必将对整个水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康方面起到至关重要的作用。