水生态环境物联网智慧监测技术发展及应用研究

李梦娅

（四川佳士特环境检测有限公司，四川 成都 611730）

水是人类赖以生存的生命资源，实时、准确地掌握水质参数状况尤为重要。将物联网智慧监测技术应用于水生态环境监测工作中，可以全面监控水质指标，及时掌握水质信息，实现连续监控，提高水资源循环利用率，解决水污染问题。

1 物联网技术及应用

物联网的结构大致分为三层：

第一，感知层。本层为感知终端，其组合包括传感器技术、RFID 射频标识技术、视频采集设备，感知层能够实现短距离的通信，将采集的环境参数转变为电信号，按照电信号编码生成传输数据报。

第二，传输层。本层次能够对所采集的对象信息实施快速传递与高效处理，传输层集合了通信网络技术功能，其通信方式主要有三种，分别是5G 网络通信、ZigBee 网络通信和蓝牙通信[1]。

第三，应用层。本层次能够做好数据链路与数据处理作业，提供各种服务，包括监测服务、交通服务、医疗服务、远程教育服务等。

当前，水生态环境监测工作模式不断优化升级，将物联网技术应用于水生态环境监测工作，构成水生态环境物联网智慧监测系统。水生态环境物联网智慧监测技术系统网络覆盖范围很大，拥有完善的网络拓扑结构，能够适应多种气候变化，监测精度较高，主要可分为以下四种：

第一，ZigBee 网络。这种监测网络系统主要用于监测面积相对较大的湖泊、池塘，其传输距离在100米范围内，属于近距离监测和信息传输，网络复杂度低，耗用成本较少，数据传输速率也相对较低，工作时长在半年到两年。

第二，5G 网络。5G 网络覆盖范围广泛，传输速度快，距离远，能及时收集和发送信息，准确获取水生态环境监测结果，工作时长为数小时。

第三，蓝牙网络。这种监测网络系统的体积、功耗与成本都比较小，传输速度快，通常难以实现大范围和远距离传输。因而，只能监测小面积水域。

第四，Wi-Fi 网络。这种监测网络系统能够实现长距离传输，传输速度也很快，主要应用于Web、图像和Email 管理，工作时长在数小时内。

相比之下，ZigBee网络应用频率更高，范围更广泛，可以监测大面积水域，工作时长比另外三种网络系统更具优势，成本与能耗低。同时，ZigBee 技术网络系统严格遵循IEEE802.15.4 标准，构建了完善的物理层，集中整合了网络安全、逻辑网络与物联网应用层技术，安全可靠性良好，能够适应不同的气候环境，应对能力很强。

2 水生态环境物联网智慧监测技术发展及应用方案

2.1 发挥ZigBee 技术优势

ZigBee 网络系统有显著的优势，能够满足大面积水域监测工作需求。在水生态环境物联网智慧监测技术发展和应用过程中，首先，要充分发挥ZigBee 技术优势，进一步改善水环境监测技术体系，运用ZigBee技术来实现无线监测，优化网络结构，促进远程监测控制系统升级，确保在线监测的连续性。其次，国家环保部门为了进一步优化ZigBee 技术网络系统，构建了ZigBee 协议栈。在组合架构中，ZigBee 协议栈是由应用层/行规、应用架构、网络/安全层、数据链路层和物理层共同组成。各层结构发挥各自功能的同时会密切配合，全面做好水环境监测工作。其中，应用层/行规对所有传感器的应用规则予以规范，重点做好水环境监测代码开发工作。应用架构层会在ZigBee网络上对应用层的各项应用予以映射[2]。网络/安全层可以提升各节点的通信服务效率，建立完善的网络拓扑结构。数据链路层会处理好链路上的数据流，仔细检查数据结构，处理错误问题。物理层用于选择适宜的频段，探测信号，做好数据调制与解调工作。

2.2 水生态环境物联网智慧监测系统整体设计工作

发挥水生态环境物联网智慧监测技术系统功能，要做好系统整体设计工作。从设计流程来看，首先要立足于整体设计目标，精准选择系统监测项目。水生态环境监测项目要结合水体要求进行合理选择，要注意根据河流、湖泊、饮用水源地等不同水体的要求，一并纳入必测项目，科学选择其他项目。河流的必测项目包括溶解氧含量、水温、pH 值、高锰酸盐指数、BOD5、总氮含量、化学需氧量、氨氮含量、总磷含量、铜元素含量、锌元素含量、氟化物含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、镉元素含量、铬元素含量（六价）、铅含量、氰化物含量、挥发酚、石油类含量、阴离子表面活性剂、硫化物含量等。选择项目通常有两个：甲基汞和总有机碳。

湖泊（包括水库）必测项目与河流基本一致，并在其基础上增加了粪大肠菌群。湖泊的选测项目有四个：甲基汞、总有机碳、硝酸盐、亚硝酸盐。在准确监测湖泊的溶解氧、盐分含量、pH 值、亚硝基氮、氨氮和总氮等水质参数后，需要结合实际情况实施调整与控制。如果是淡水湖，就要将水体的pH 值控制在7.5到8.5 之间。如果湖泊水体的pH 值小于7，就要通过加入生石灰来增加pH 值。假如湖泊中的pH 值大于9，就需要通过加注足量的淡水予以调节。对于溶解氧，需要将其调整到5mg/L 以上，如果缺氧，就要注入氧，以免湖泊中的水生物死亡，并定期对湖泊水体进行洁净处理。为了降低淡水湖里的有机物，则需要根据水质监测数据来投入足量的沸石粉，这样可以对水质进行优化和改善，使水中的有机物得以降解，并吸附氨氮。对于湖泊中的亚硝酸盐，要确保其低于0.1mg/L，二氧化碳不能高于20mg/L 到25mg/L 的范围，要将硫化氢控制在0.2mg/L 以下。对于湖泊中的浮游植物量，需要控制在20mg/L 到100mg/L 的范围内。

饮用水源地对水质的要求非常高，水生态环境监测工作比普通的河流、湖泊严格，必测项目包括溶解氧含量、水温、pH 值、水中悬浮物、高锰酸盐指数、化学需氧量、BOD5、氨氮含量、总磷含量、总氮含量、铜元素含量、锌元素含量、氟化物含量、铁元素含量、锰元素含量、硒元素含量、砷元素含量、汞元素含量、镉元素含量、铬元素含量（六价）、铅含量、氰化物含量、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物含量、硫酸盐含量、氯化物含量、硝酸盐含量和粪大肠菌群等。选测项目有三个：有机磷农药、硫酸盐、碳酸根。

在整个必测项目中，工作人员应着重监测五大参数，分别是溶解氧、水温、pH 值、电导率和水的浊度。选定监测项目后，对参数性能指标予以确定。通常，溶解氧（mg/L）的测量范围在0-20，仪器分辨率的要求是0.1，测量误差控制在0.3 以内；水温（℃）的测量范围在0-100，仪器分辨率的要求是0.1，测量误差控制在5%以内；pH 值（无量纲）的测量范围在2-22，仪器分辨率的要求是0.01，测量误差控制在0.1 以内；电导率（mS/m）的测量范围在0-500，仪器分辨率的要求是1，测量误差控制在1%以内；水的浊度（NTU）的测量范围在0-100，仪器分辨率的要求是0.1，测量误差控制在5%以内[3]。

在人工采样和测量工作中，必须紧密结合不同水体功能、水体环境与水文要素，遵循最低采样频率，获取最具代表性的水样，确保样品能够反馈水环境的情况。对于饮用水源地水质监测工作，需要按照每月一次的规则实施采样测量。其他水域可以采用每年六次的采样工作。

在设计水生态环境物联网智慧监测技术系统框架的过程中，需要按照数据流的模式，依次设计采水单元、配水单元、分析单元和控制单元。其中，采水单元组合模块包括水泵、管路与供电设施及安装结构，该单元系统能够采集水样，在设计过程中，要注意增强系统设备的环境适应能力；配水单元系统的组合装备有三种，分别是水样预处理设施、自动化清洗装备和辅助设施，该系统会对水样进行处理，然后将水样配送到测量点；分析单元系统包括自动化分析仪器设备和测量仪器，该单元系统能够做好水质参数测试分析工作；控制单元由通信设备、数据处理与存储模块、系统控制柜、基站控制与监控设备组成。

2.3 改善水生态环境物联网智慧监测系统硬件电路

传感器节点处于水环境监测的第一现场，要在所监测的湖面上安装传感器网络收发设施，并做好必要的防水工作。在系统配置过程中，需要将电化学传感器安置在湖面以下的探头顶端，运用传感器节点做好所有数据采集作业，采集数据是否精准、完整，则需由传感器探头转换方式的正确与否、设备监测精度，调理电路的正确性与放大倍数、ADC 转换精度以及分辨率共同决定。优化水生态环境物联网智慧监测技术系统，改善系统硬件电路，理应依次做好溶解氧传感器节点、水温传感器节点、pH 值传感器节点、电导率传感器节点和浊度传感器调理节点设计工作[4]。从水生态环境监测标准角度来讲，在溶解氧监测工作中，会使用新型三电极体系传感器，阴极与阳极是两根呈双绕的细铂丝，在应用过程中，会将其封闭于隔膜的电解液溶液内，借助银丝带充当参比电极。这样测量精度很高，也不会污染水源。在溶解氧传感器节点设计工作中，要严格遵循溶解氧调理电路设计原理，采集微弱的电流信号，输出微机进行处理，使电流转化为电压信号，运用放大电路来获取参数。

水温传感器节点即温度传感器节点，在具体设计中，需要配置温度传感器DS18B20。工作人员将其设置为一线型总线式结构，对数据信、地址线与控制线集成设计。从应用效果来看，温度传感器DS18B20 能够准确测量温度，设备外形轻巧，测量精度非常高。对于水温传感器节点的工作电源，适宜借助微机引脚实施供电，有助于节省更多资源，转换时间在100 毫秒到700 毫秒之间，抗干扰能力良好，安全可靠性高。

pH 值传感器节点用于测量水中的pH 值，选用电极型pH 值传感器就能够满足地面水和湖泊水的测量工作需求，运用电位计法准确测量电池电动势，然后，计算出水中的pH 值。在水环境监测工作中，水质越良好，电导率越弱。在电导率传感器节点设计工作中，需要根据实际需求，选用适宜的传感器。当前电导率传感器可分为三种：电极型传感器、电磁型传感器、超声波型传感器，要根据物理测量原理来配置相应的传感器。

水中普遍含有各种悬浮物，当光在水中散射、投射或者吸收变化时，水会变得浑浊，其浑浊的程度被称为浊度。浊度是水环境的重要监测参数，直接影响饮用水的质量、水中生物的生存状况与工业用水质量。准确测量浊度，必须设计好浊度传感器调理节点。在浊度传感器调理节点设计工作中，需结合传感器的特性不断优化水生态环境在线监测系统，正确运用传感器监测水的浊度信号。浊度传感器分为散射式传感器和投射式传感器，两种传感器各有优点，前者应用范围更广泛。

2.4 促进水生态环境物联网智慧监测系统软件升级

提升水生态环境物联网智慧监测系统应用效果，必须重视促进系统软件升级，充分借助物联网技术和人工智能技术优化系统软件功能，做好软件开发工作。当前基于物联网水环境在线监测系统软件设计是以CC2530生产厂商TI公司所提供的Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0为基础依托，其物理层与网络层将ZigBee 的标准802.15.4 作为设计参考。同时，会运用嵌入式软件开发模式来完成路由节点与汇聚节点的CC2530 的51 内核软件设计工作，严格遵守硬件接口电路设计原理，全面做好上位机软件设计工作[5]。

3 结语

综上所述，全面优化水生态环境物联网智慧监测技术发展和应用方案，应充分借助ZigBee 技术来实现无线监测，精准选择系统监测项目，合理确定参数性能指标，不断改善水生态环境物联网智慧监测系统硬件电路，持续促进系统软件升级。