智能水质连续监测传感器网络系统

陆元成　程高晖

(连云港市水利规划设计院有限公司, 江苏 连云港　222006 )



智能水质连续监测传感器网络系统

陆元成程高晖

(连云港市水利规划设计院有限公司, 江苏 连云港222006 )

【摘要】本文介绍了一种智能水质连续监测系统。通过先进的监测传感器，实时监测水质的各项参数，将数据通过网络上传至数据中心。本文的目标是构建一个系统，可以连续监测长距离河流水质参数的变化，能够克服现有方法的局限性，代替人力监测。该系统的主要内容包括系统设计和传感器模块。其中，系统设计包括系统功能分析、系统功能模块设计、接口和信息处理以及网络设计等，传感器模块包括光纤光栅传感器应用和传感器的接口设计。

【关键词】连续监测； 智能； 水质监测； 光纤光栅

1概述

水是生命之源，也是国家经济和社会发展的重要基础资源。随着粗放型经济的迅速增长，我国的水资源危机却日益严重：人均水资源占有量约为2200m3，是世界人均值的1/4，水体污染日益严重，生活和工业污水正迅速地侵蚀我国的江河湖泊等水体，湖泊水质富营养化日益严重,目前1/3左右的湖泊(水库)出现了不同程度的污染[1]。因此，科学地开发、管理和保护水资源是当务之急，而水质监测是管理和保护水资源的重要前提和手段。

2现行水质监测方案存在的问题

目前水质监测的主要问题在于无法连续对每一段河流以及各个水库进行时时监管，现有的系统要求数据采集人员不间断地监测江河湖泊的水质情况，可操作性较差。针对此情况，本文将重点讨论开发可连续监测地系统，从而可以覆盖很长的距离，甚至延伸到偏远地区的水域。传感器一旦监测到水质变化，立即向数据中心发出信号，数据中心进行数据处理，获知河流的任何参数变化[2]。该系统解决了现行水质监测方法无法全面实时监测的问题，节约了人力，提高了工作效率，对于保护水质具有现实意义。

3整体方案设计

3.1系统总体框架设计

图1所示是河流水质监测系统的总体结构，设计了一段河流的水质监测情况，有三个传感器投放点，分别是监测站1、监测站2和监测站3以及信息传输网络。该系统的主要硬件包括：用于系统控制的微型处理器或者上位机、光纤光栅技术的各类传感器、信息网络等。

传感器监测站可以投放在任何需要监测水质的地点，根据实际需求可以投放不同功能的传感器，这样就可以用来检测所需的参数[3]。本系统采取先进的光纤光栅技术传感器，可以完成温度、流速、液位等的监测，光纤光栅传感器可以抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀，体积小，传输损耗小，容量大，可以实现多点远距离遥控监测。

传感器监测到的数据传输给监测站，监测站进行数据分析，再将分析的结果以图像或数表反映出来。如果有任何危险情况发生，数据中心当即发出GSM控制信号或者向上级汇报，及时处理，保护河水和水库水资源的安全。在所构建的模型中，每个监测点被连接到一个不同的电子传感器，以检测不同的参数，如：pH值、油污泄漏检测，水位和水流的变化，监测站使用该系统可以检测到被测位置处理后的实时数据。目前光纤光栅技术传感器可以测量的参数包括：油污、水的pH值、水位和水流量等，随着光纤光栅技术传感器的不断发展，越来越多的水质数据可以测量出来。

3.2信息处理系统

在对图形数据信息进行处理时，该系统将检测到任何监测站的光纤光栅位置变化。如果发生变化，系统将会立刻处理，并且发出警报信号，在此过程中，该系统不会停止监测，而是连续监测波长变化情况[4]。以下详细说明pH值检测功能。当pH值变化时，光纤光栅传感器的电压信号将被转换为光信号，然后将光纤光栅传感器的光信号转变为最大波长。光纤光栅传感器发出的光信号的中心波长用波长计测量，然后将测量出的波长信息传输给计算机，等待计算机进一步处理信息。通过数据处理后将监测位置的具体数据显示在安捷伦VEE仪器上，然后根据数据处理结果发出相应的警报信号，并且将数据向上级反映，以便采取进一步行动。整个过程如图2所示。

光纤光栅传感器的接口是：电子传感器通过电子接口、光纤光栅接口与光纤光栅传感器相连,如图3所示。任何电子传感器都可通过接口连接到监测水质参数的光纤光栅器夹持器上，也可以耦合到任何监测网站的光纤线上。按照系统的工作情况，当传感参数变化时，电子传感器就会产生相应的输出电压。例如：如果水流速度值传感器检测到水的流速值为A时，则这个传感器就会给出A值对应的输出电压值。该输出电压将触发光纤光栅的夹持器，光纤光栅的夹持器会引起一定量的压力，从而导致光纤光栅的中心波长偏移，监测站波长计将检测到这种变化的信息。

该项目的实验室设置非常简单，旨在测量水质参数。光纤光栅传感器可以在各个监测站点连接光纤电缆。电子传感器输出电压控制光纤光栅传感器，通过光纤光栅的夹持器传递给光纤光栅传感器，从而使光纤光栅传感器发生相应的变化，光纤光栅传感器输出产生一定的压力。波长实现连续检测，并且可以在光纤中显示任何波长的变化。测量出来的数据可以显示在安捷伦VEE上，从而实现对水质pH值、油污、水位和流速的实时监测。

4结果与讨论

本文通过对油污进行监测，论证方案的可行性。系统中采用的油污探测器是传统探针油污探测器，首先将该传感器的2探针放入水中，通电后，电流流过水体，通过观察液体电阻值的变化，监测油污。如果被测液体中只有水，那么该液体的导电性会很强，电阻会很小，而如果该实验是水和油的混合物，则该液体的导电性会变差，电阻会增大，这是根据油污对水的电导率影响规律开发出来的。模拟电压以单片机为输入电路，将模拟电压转换为脉冲宽度调制，驱动伺服电机。伺服电机耦合到光纤光栅夹持器，从而控制压力变化。不同的液体会产生不同的电压信号，不同的电压信号会产生不同程度的压力，不同程度的压力产生的波长通过波长计可以测量出来。

实验表明：当液体中只有水时，平均输出电压为2.08V，平均转换波长为1553.614nm，而当液体中含有水和油时，平均输出电压为0.75V，平均转换波长为1554.022nm。测量时使用+5.90V直流电源带动伺服电机，采用的光栅中心波长为1553.614 nm。通过波长计检测波长的变化，然后显示在安捷伦的仪器上。这一实验结果表明：如果油泄漏到河流中，通过波长检测，可以发现并及时发出警报信号。

5结语

本文利用光纤传感监测系统实现了油污、流速和水质pH值检测系统的开发。传感器采用标准电子传感器和标准的光纤网络以及光纤光栅技术的传感器。该项目可以进一步开发和配备更多的传感器和处理、执行系统，可以进行拓展，监测更多的水质参数。

参考文献

[1]张力.黑龙江省饮用水水源地环境管理状况分析[J].环境科学与管理,2011(7).

[2]李瑛. 阿什河流域重金属元素异常源追踪[J]. 黑龙江科技信息,2012(28).

[3]罗远程. 污水处理厂溶解氧在线监测与便携式测试数据的比对研究[J].水工业市场,2012(1).

[4]丁志群,张玉钧,李宏斌,等.激光诱导荧光水质监测系统的研制[J].光学仪器,2009(4).

Intelligent water quality continuous monitoring sensor network system

LIU Yuancheng, CHENG Gaohui

(LianyungangWaterResourcesPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd.,Lianyungang222006,China)

Abstract：In the paper, an intelligent water quality continuous monitoring system is introduced. Various parameters of water quality can be monitored in real time through advanced monitoring sensor. Data is uploaded to data center through network. Construction of one system is regarded as objective in the paper, changes of long-distance river water quality parameters can be monitored continuously. Limitations of existing methods can be overcome for replacing labor monitoring. The system has the following main contents: system design and sensor module, wherein system design includes system function analysis, system function module design, interface and information processing, network design, etc. Sensor module includes fiber grating sensor application and sensor interface design.

Key words：continuous monitoring; intelligence; water quality monitoring; fiber grating

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.022

中图分类号：TV52

文献标志码：A

文章编号：1005- 4774(2016)02- 0079- 03