水质动态检测与药剂智能调配投放系统及硬件设备的研发与应用

刘书杰，王博，周旺平，周文科

（扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225000）

1 社会背景

水是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一，但是，当前生态系统的水质令人堪忧。我们需要通过适当的方式进行治理、保护。目前，针对封闭水域，虽然采用多种手段净化水质，但需治理水域存在面积小、流动性差、水质净化和治理能力弱等客观问题，此外，生态系统水质的好坏对周边环境要求较高。自然或非自然因素容易对水体造成重金属污染、富营养化等化学因素新污染威胁，由此水体的长期稳定性通常得不到保证。例如，水产养殖行业对水体质量的要求较高；水质的好坏直接影响水产品的质量与价格。随着生活品质的提高，原生态经济取得了前所未有的好转。而水产养殖类产品质量低下、缺乏保障等问题严重影响了我国高质量水产养殖业的快速发展。因此，水质的调控对于优质水产品的生产尤为重要。此外，乡村河道、人工湖等水域的生态自我净化能力较弱。一旦受到污染物的影响，水质会迅速恶化，导致土壤板结、龟裂，从而使得观赏效果会大打折扣，不利于美丽乡村的建设。如果为了改善受污染的水体而重新换水，既不经济，也不利于可持续发展，同时也是对水资源的浪费。而采用人工直接治理的方式使人直接在岸边将大量的药剂投入水体，存在打破原有水体的平衡的可能，甚至会造成二次污染等严重后果。

不论是“绿水青山”还是“三农问题”，都离不开物联网技术设备的支撑。可以就船舶自动化的、远程的控制机器自行完成水质取样、药剂投放问题。通过对关键技术进行验证和深入研究，设计、分析、测试、实践，最后优化设计，最终提出本次项目方案。

2 技术背景

与欧美国家相比，我国水质治理监测工作起步较晚。当前我国水质治理产业虽得到了跨越发展，但受水质动态检测－药剂智能配置投放交互影响机理缺乏、系统与硬件匹配性差、受智能化整体水平低等制约，药物投放硬件装置在稳定性、信息化、智能化水平等方面与发达国家存在较大差距，智能机械化水平较低。如今提高产品的核心竞争力，进行以信息化和智能化为特征的产业技术升级，是未来人工向水质动态检测与药剂智能调配投放一体化设备转型的重要方向。

综上所述，本文从水体环境信息获取、药剂精准管控、水质环境智能精细化调控、云端数据交互管控以及智能云平台管理等方面出发，开展基于物联网管控的药物精细化高效投放关键技术研究，解决目前水质调控过程中智能化水平低、生产管理粗放、劳动强度大、作业效率低、生产维护成本高等问题，提高水质调节管控智能精细化水平。利用水质监测系统进行主要参数实时采集、无线传输、经地面控制系统进行药物投放装置的远程控制与自动监控功能，实现了水体酸碱性以及其他水质的连续调节与优化调控，并与不同省份、地区的不同检测标准相融合，可适用于不同水域的水质检测与药物投放，实现水质调节一体化精确控制。

2.1 研究内容

本文以不同的水域为主要对象，以高效、精准、智能为目标，从水体环境信息获取、药物比例精准管控、水体环境智能精细化调控、云端数据交互管控以及智能云平台管理等方面出发，开展基于物联网管控的水自动检测与药剂智能调配投放系统及药物投放装置的研发应用。具体研究内容如下：

2.1.1 设水体DO、pH、水温，导电率/TDS等感知与在线监测技术研究

借助船体的水质检测装置将收集的水质信息，通过无线数据传输技术，将信息经过云端计算输送到地面控制系统，地面控制系统根据水质传感器传输的数据进行分析并得到最优的水质调解方式，并将调解信息通过原渠道反馈到药物投放装置，实现点对点，一水一策的水质调节（图1）。

图1

水质检测系统及对应的装置通过检测需要的水质指标（如pH、DO、水温，导电率/TDS等）来反映水质是否符合周边环境或对应行业的标准。这些监测数据经云端服务器处理进而被发送到地面控制系统。地面控制系统收到数据后，将信息传达给用户，用户可以根据显示的信息对河道进行动态调控，同时，还可以根据与实际水质的情况计算分析需要供应的药剂的类型和配比，然后利用STM-32单片机操作系统控制设备的各个部件，再通过药剂智能调配混合系统，将提前在原料箱中备好的原料（如酸碱盐、重金属盐类、卤素类、微生物类等）按照系统指示比例要求混合配置和定点定量投放，使整个装置成为一个可以实现远程控制的完整装置，实现硬件与环境的智能感知。并由此达到改善水质的目的。最终通过整个系统的运转，在无人驾驶船搭载药物投放装置并适配系统，就可以在无人船两侧进行药物的直接投放，实现点对点的药投放及通过提供适当药剂来改善水质，加速自然生态的恢复，以达到提高效率的目的。水质实时监测与药剂智能调配投放装置，可实现水质问题的“早发现、早治理”，提供更平衡的生活环境，促进环境友好型社会建设，从而减轻水质维护的经济负担与人力投入。

2.1.2 基于水体信息的药物智能精准管控技术研究

针对水体治理管理存在差异，现有药物配比不精确、调控长时滞、药液浓度不能连续调节以及调控装置损耗较大等特点，难以做到实时在线精准调控等问题，采用基于水体DO、pH、水温，导电率/TDS等多源感知的药剂信息一体化在线精确测量技术，开发基于水体污染信息的药剂信息一体化在线精准反馈控制系统，研究基于化学成分决策处方的不同元素的精准配比技术，分析不同线速度和变量控制信号对动态施药量分布均匀性的影响规律，实现药液浓度的在线快速连续调节，药物投放作业的优化调控，控制误差≤5%FS，系统响应时间≤5秒，满足药剂利用率≥95%。

3 硬件技术

3.1 水质改善装置的总结构组成

该排放装置包括药剂调配单元、进水管道和投放单元；药剂调配单元包括原料储存仓，原料储存仓具有多个独立的药剂储存腔，多个上述药剂储存腔均连通有药剂输送管道，药剂输送管道设置有电动限流单元，药剂输送管道远离上述原料储存仓的一端连通有混合管道，上述混合管道开设有药剂排放孔；进水管道的一端连通于上述混合管道，进水管道远离混合管道的一端用于外接水源；投放单元包括投放船，投放船设置有支撑架，原料储存仓设置于上述支撑架的上侧。可实现投放药剂的自动配比和投放，具有精准度高和安全性高的优点。图2～4为该装置内部结构的三视图，装置也主要由3部分组成：水质检测装置、药物投放装置、计算操作模块。

3.2 药剂定时定量投放的结构装置

为解决劳动量大及工作效率低等问题，采用了定量定时的投放装置，该装置包括导流管道、原料箱、药剂输送管、混合管道、流量调节阀和转动电机。流量调节阀上设置有转动电机。在转动电机上连接定时控制器，用于控制及转动电机的启动与停止。在流量调节阀前面安装液体流量计，因为原料试剂流动时通过的管子的横截面积是一定且不变的，通过液体流量计，我们可以知道液体的流速。

在使用时，通过启动流量调节阀上的转动电机，使转动电机带动流量调节阀的打开，通过分析得到的最优水质调节方法，且已知液体流量计流速的情况下，设定好相应的定时控制器时间，从而实现定时定量投放。最后，混合管道中的混合药剂通过混合管道上的药剂排放孔流入该水域。

此外，因原料中含有化学试剂，所以为防止原料出现挥发、升华、潮解、水解以及氧化等变质现象所导致的试剂损耗问题，我们采用了隔离、避光、低温及通风的方式，对不同的原料搭配合适的储存方式。

3.3 关于水质检测传感器的结构明细

为了更加清晰地了解水质情况，以前需要人为取水在实验室进行水质检测，本装置配备有相关的水质检测装置，可以实时动态对水质进行检测，并将水质检测信息以及所在地理位置上传给用户。水质检测装置有在线ORP传感器、在线数字pH传感器、四点极电导率传感器、UV254 COD传感器等。实现对水质指标（温度、溶解氧、pH值、COD、电导率、叶绿素a）等环境参数的现场检测。最后，利用无线通信的方式实现远程服务监控平台和船载系统的数据传输。用户通过检测的数据控制环保船下一步的行动计划，实现动态调度、响应速度快的效果。

3.4 附图说明

为了更清楚地说明本文实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，便于理解，以图2～5表示出了本文的某些实施例，因此，不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图（图中，1.进水管道，2.支撑架，3.原料储存仓，4.注水孔，5.药剂输送管道，6.流量调节阀，7.导流管道，8.混合管道，9.药剂排放孔）。

图2 一种药剂智能配置排放装置的主视图

图3 一种药剂智能配置排放装置的侧视图

4 结语

图4 一种药剂智能配置排放装置的俯视图

图5 一种药剂智能配置排放装置的控制原理图

本文设计的项目是以STM32开发板为核心的药剂智能调配投放系统以及硬件的研发设计。药物的智能调配与投放装置一定程度上解决了人工劳动强度大、人员安全得不到保障、水体得不到精确化的治理等问题。本文设计的项目具有效率高、智能化和降低人工成本等的优点，实现点对点的精确化治理，也起到了节省药物的功能，更不会对其他水体造成二次污染。提升效率的同时，也提高了药剂的利用率，具有较高的社会效益和经济效益，具有新颖性、创造性和实用性。