无线传感网络的水质监测应用研究

江汉大学智能制造学院 龙家豪 向 青 钱同惠

水质监测是科研工作人员进行水质管理和治理时的一项基础与必要工作。传统的监测方式效率较低，人工成本较高，并且在复杂的水域中，监测人员的安全存在隐患。本文着重对无线传感网络的水质监测方法的研究成果进行了分析与归类，综合考虑了各种研究方法的主要研究成果和主要特点，并分析其主要存在的问题，最后对无线传感网络应用于水质监测的未来发展进行了展望。

纵观国家的工业发展历程，由于对于经济发展的需求，我国在现阶段内进行的是以牺牲社会环境为代价的工业化进程，也正因为如此，直接导致生活环境趋于恶性走向。20世纪初期，国家领导人就环境污染完成的社会问题发表讲话，强调了金山银山和绿水青山的本位问题，而绿水，就指的是水资源。水资源在人的发展和生存中占据重要地位。但由于过多的排污需求，使得水的自净效率显得很缓慢，因此人工干预是必然的趋势和要求，我们应该有效缓解水污染问题，积极响应“长江大保护”的号召。

进行水质监测，需确保采样工作规范、合理。若采样频次、方式有问题，亦或采样点位的布设缺乏合理性，便会导致监测结果存在偏差。水样采集完毕后必须尽快送到实验室进行各种项目的分析，因此应保持良好的室内环境，以免对水样的分析过程和结果产生不利的影响。这整个过程中，最贴近的数据获取，离不开标准的操作方式。因此，为了数据的有效性，对操作人员的专业性和实验环境的要求就比较严格。此外，在实验过程中，也需要谨慎。采点取样不合理，样品含有杂质，试剂的纯度等错误行为都会影响实验分析在部分水流湍急或者极端环境下，人工水质监测存在极大的风险。研究人员为解决上述水质监测中存在的问题做了许多研究，本文在解读水质监测指标标准的前提下，对无线传感网络的水质监测的研究现状进行了分析，在此基础上，提出了无线传感网络在水质检测未来发展的潜力和趋势。

1 水质监测指标

各地区应对地下水水质进行定期检测，检验方法按照国家标准GB 5750《生活饮用水标准检验方法》执行，监测项目为：pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠菌群，以及反映本地区主要水质问题的其它项目。

2 无线传感网络监测水质方法研究

在水质监测研究当中，应用最早的是传统物理和化学监测，通常我们可以使用物理指标监测仪器，比如说测定水浊度的浊度仪，测定色度所用的滤光光度计，测定电导率用的电导率仪等，还有多功能集成型的水质监测仪可以同时测定包括总氮在内的多项物理指标的效果。目前水质监测研究主要包括无线传感网络监测、生物监测、遥感监测技术等。并且随着物联网技术的发展，很多智能监测研究都已经得到推广，并且在特定的水质环境下都有很卓越的监测效果。

在传统的理化监测当中，监测指标过于单一，存在主观性，而无线传感网络监测方法具有智能化程度高，检测周期短、应用领域广，可靠性高等特点。于淑宁等采用外接接口单极接线模式构建了一种自来水水质监测系统，这种连接方式传输信号的稳定性极强，缺点是占地空间比较大。次世青等基于Zigbee技术提出了用于无线传感网络的水环境监测系统的水质监测传感器节点的设计方法，通过每个传感器模块获取水环境额数据，利用Zigbee协议将监测到的数据发送到聚合节点，并且提出了基于蚁群算法的改进型LEACH算法，通过该算法建立的路由，能够有效地降低整个无线传感网络在信号发送和接受时的能耗，延长整个网络的使用寿命。针对水产养殖无线监测系统能耗高、续航短的问题，周浩东等设计了一种基于Zigbee和GPRS的节能水质监测系统。在系统中的信号调理电路之间增加一个门芯片ADG1414或使用低功耗器件来控制每个模块的频率的分配，减小了系统的耦合性，减少每个模块的上电时间，降低了硬件的能耗。对收集的数据进行分析评估，并且可以人为设置阈值，自动过滤到阈值外的数据，这不仅减少了系统传输的工作量，还增强了系统的续航能力。Sergio Diaz等设计并搭建了一个包括电源管理、数据测量、数据传输的物联网水质监测站，并且将太阳能采集模块当作可持续能源。张晓玲设计了一个基于无线传感器网络的自动化水环境监测系统。系统考虑到稳定性与持久性，采用了低功耗设计，能够对指定水域进行连续在线监测、并且将数据传输到远程控制端，对数据进行了存储，并且可以对其进行分析。Faustine Anthony等提出了一种用于LVB中水质监测的水传感网络（WSN）系统原型。在开发之前，对主要环境进行了评估，包括行动地点蜂窝网络覆盖的可用性，该系统由Arduino微控制器、水质传感器和无线网络模块组成。Sempere Paya Victor M等为城市污水管网设计了一个水质监测系统，系统由一个实时监测水质图像和测量水位的移动系统和一个用于处理水质质量超标和水位超过阈值的紧急情况的智能平台构成，以及采用特定协议和工具设计的无线传感网络，该系统充分利用了水循环，最大限度地减少人为错误的可能性，并提高测量的频率和准确性。代将来等人设计了一种LoRa无线通信协议，同时运用地址过滤技术设计了一种预防通信冲突的方案，基于此研究和方案设计了一种远程监控和管理水质状况的系统，无线传感网络的的LoRa射频模块从远程节点发送数据，将数据传输至后端服务器，这大大增强了水质监测系统的稳定性和续航能力。颜波等提出了一种基于RFID和无线传感网络的水质监测和预警系统，包括监测节点、融合节点电源系统和中心控制系统，将RFID读写器连接到电子RFID标签网络并且存储了监测节点的编号和位置信息，从而提高了水质监测的效率。

综上所述，在水质监测领域，通过无线传感网络来建立连接，可以有效地降低信号发送和接受的能耗，并且可以延长整个系统的寿命和稳定性，解决了传统物理和化学监测系统耗能大、稳定性差、并且需要大量人力维护的问题。

3 结语与展望

传统的水质监测方法是理化水质监测，往往存在效率低、工作量大等弊端，并且难以适用于复杂的水域环境。无线传感网络监测方法在网络设计中最大限度地利用现有的移动通信网络，实现了从水质传感节点到水质监测中心的无线数据传输，解决了现有数据传输方式所带来的弊端，并极大地提髙了工作效率、降低了人工成本。所以利用无线传感网咯能够完整、实时的进行数据传输、处理和管理，从而建立完善的水资源数据管理体系，方便水资源管理人员或科研人员的分析、决策和管理。同时无线传感网络可在人工难以取样的复杂水域环境，提高监测的安全性，进行高效率的水质采样以及实时监测，具有广阔的应用前景。