基于物联网的新型水质监测系统的研究

何 鹏，周 旭

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

随着工业的发展，工业废水排放导致的水域环境问题日益严重，需要水质检测部门对不同地区的水域进行定期监测。由于水域环境存在较多不确定性，导致水质采样人员的人身安全得不到保障，而且检测效率无法提升。传统的水质监测方式主要是通过设立局部水域水质检测台来了解附近的水域情况，也通过人工实地采样获取数据，目前较为先进的漂浮式检测装置和监测站也无法对较深水域进行水下检测，监测技术较为繁琐。现有一些水质监测装置虽然能够实现局部水域远程在线监测，但无法形成大范围水域质量监测与统计系统，在水中的检测装置无法实现长时间续航，因此这种监测方式很不方便。分析和研究水质监测系统的实时性、安全性、稳定性、准确性以及检测装置的续航能力后，针对传统水质监测问题研究了一种基于物联网的新型水质监测系统。

1 国内外研究现状和发展动态

水质监测系统在国外研究起步较早，技术相对成熟，并且一些水质监测系统已在相关领域中商业化。代表包括德国IQ Sensor Net的智能化测试系统和美国YSI 6920V22多参数水质监测仪，用户可自定数据采集的时间间隔，如15 min采样间隔，内置电池可使用30 d，缺点是只可用于淡水。

我国的监测方式种类逐渐增多，有漂浮式水质监测转站、站房式水质自动监测站、水质云监测平台、水文监测系统等，也有许多知名企业，如深圳的解析科技、安徽宇邦、上海海恒等。目前我国用的自动化监测系统大部分为国外进口的设备，水质的自动化监测装置早已不适用于迅猛发展的水质监测的需求，所以，在我国具有宽广的开发前景和潜在的销售市场。

基于以上调研，提出了一种基于物联网的新型水质监测系统。

2 基于物联网的新型水质监测系统

2.1 系统总体需求

近年来，由于工业废水排放及有害液体泄漏而导致发生了多起水质污染事故，传统的水质检测方式需要动用大量的人力物力，效率低，而且即使在危险的冰面及危险地势水域，检测人员也要亲自去采样，使得工作人员的人身安全存在较大隐患。因为迫切需要一种新型而高效的水质监测手段，所以设计了基于物联网的新型水质监测系统，用可潜式水质检测装置来替代人工，提高了工作效率，保障了采样人员的人身安全。

2.2 设计内容

本项目在山东华宇工学院电气学院的指导老师共同指导下，由项目负责人带领的研究小组对基于物联网的新型水质监测系统进行研究。该系统基于可潜式水质检测装置及物联网，实时监测能力和信息采集能力尤为显著，利用物联网来实时传输水质数据，且适应多种水域，性能稳定。利用可潜式水质检测装置代替人工，能够提高水质检测的工作效率，保障工作人员的安全，在水质监测领域开辟了新的发展方向。

2.3 整体设计

在系统总体框架设计中，可潜式水质检测装置是一套由ESP8266芯片作为主控芯片，用于基于物联网的水质监测系统的装置，该芯片具有大容量、低能耗、高性能等优点[1]。可潜式水质检测装置以电池作为驱动能源，防水太阳能板作为续航能源，并在可潜式水质检测装置上搭载一系列传感器，在水质检测方面代替人工，以2个水泵代替空气压缩机，交替吸水排水为基础，潜入水中进行深水作业（图1）。水质信息由可潜式水质检测装置的传感器采集来获取，工作人员可通过手机APP或PC端对水质检测装置实施远距离的控制及信息监测[2]。

图1 系统结构

2.4 硬件设计

可潜式水质检测装置的主要硬件是ESP8266芯片、防水太阳能板、电池、水泵、pH值传感器、浊度传感器、温度传感器、联网模块以及抛锚装置等（图2）。硬件平台的设计主要包括以下3个方面内容：①可潜式水质检测装置本体结构设计；②下潜上浮装置的设计；③控制系统结构设计。

图2 实物结构

采用压强差工作方式，能够潜入深水区域进行水质检测，也可以在水域表面进行水质检测。可潜式水质检测装置利用潜艇原理，下潜主要依靠水泵代替空气压缩机，往密封舱内吸入检测的水进行增重下潜，当检测完成以后通过另一个水泵排出密封舱内的水，产生与外界压强差，使水质检测装置上浮。密封性能的好坏对负压效果的产生有直接影响，所以密封性能显得至关重要，根据水域不同采用不同材料制作密封舱，大大提高了可潜式水质检测装置的适应性和稳定性。

由于ESP8266芯片只有连上局域网后才可通过互联网进行远程通信，所以局域网的范围决定了芯片是否可以远距离传输，因为可潜式水质检测装置在水里，有时甚至在湖泊河流的中央，在水质检测装置的周边水域情况复杂度不同，所以不可能为其建立多个局域网。采用插卡式随身Wi-Fi作为ESP8266芯片的局域网来源，使其局域网永远跟着水质检测装置移动，故ESP8266连接局域网问题得到了较好的解决，在连接局域网后就可进行远距离通信。

当单片机收到各种传感器检测完发来的数据之后，将采集的数据进行远距离传输，在手机APP或PC端上将检测的信息以图表和数值的方式呈现，并对检测到的数据进行储存，供以后参考和分析，以根据检测水域的水质信息制定相应的治理措施。水质检测人员可通过手机APP或PC端控制水质检测装置的工作状态，当水质检测装置正在水面充电时，但检测人员这边需要得到目前的实时数据，就可通过手机APP或PC端远程来控制可潜式水质检测装置立即进行下潜工作（图3）。把可潜式水质检测装置作为远程工作平台，其上配有传感器系统、供电系统、升潜系统、物联网通信等系统，其后通过强大的阿里云作为云服务平台，为可潜式水质检测装置提供了稳定的工作条件，为水质检测工作的顺利完成提供了有力保障。

图3 实地测试

2.5 软件设计

基于物联网的新型水质监测系统由ESP8266芯片作为主控芯片，用Arduino IDE软件进行程序编辑[3]。在其上集成一系列传感器，并通过物联网和互联网相配合进行数据传输。用可潜式水质监测装置对各水域进行水质检测数据进行回传和统计，让水质采样工作人员在PC端或手机APP上实现对各水域水质污染情况的实时监测，水质检测装置安装有定位系统，可通过PC端或手机APP实时监测各水域检测装置的位置及每个装置检测的水域质量信息状况，大大降低了水质采样工作人员实地检测发生危险的可能性，节省了大量的人力物力，更重要的是给工作人员节省了大量时间，并提高了水质检测效率[4]。

可根据监测水域的检测需求，在可潜式水质检测装置上集成所需检测水质信息的传感器。安装时，传感器检测部分暴露在硬件电路仓外，并且安装在硬件电路仓的中下部分。当可潜式水质检测装置进行下潜检测时，通过传感器在水里采集检测数据，将采集的数据反馈给单片机，用于与手机APP或PC端传输数据。

3 结论

通过学习和研究，用可潜式水质检测装置代替了人工，并远程实时传输水质检测数据，提高了水质检测工作的效率和安全性，为水质监测领域开辟了一条新的道路。本项目设计的基于物联网的新型水质监测系统各个方面的性能较好，有着较高的研究价值，发展前景乐观。

图4 软件界面