小型水质参数远程控制监测系统的设计与实现

许寒梅 卢孟常

摘  要：对水环境远程在线控制监测系统整体设计、传感器原理、选择以及传感器清洗机构等进行了详细说明，并在此基础上提出一种基于NB-IoT的小型水环境远程在线控制监测系统的设计方案，系统采用STM32作为主控单元，水质传感器采用485接口与主控单元通信，实现数据的采样和读取，结果显示在12864LCD显示屏上，检测到的水质参数通过NB-IoT模组远程传输到上位机，在上位机可实時查看水质参数的更新数据。该系统在对水环境监测处理工作的改进上具有一定的推广价值和参考意义。

关键词：水质参数；远程控制监测；清洗机构

中图分类号：TP212.9；X84  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）10-0050-05

Abstract： The overall design， sensor principle， selection， and sensor cleaning mechanism of the water environment remote online control and monitoring system are described in detail. On this basis， a design scheme of a small water environment remote online control and monitoring system based on NB-IoT is proposed. The system uses STM32 as the main control unit， and the water quality sensor uses 485 interface to communicate with the main control unit to achieve data sampling and reading. The results are displayed on the 12864LCD display screen， and the detected water quality parameters are remotely transmitted to the host computer through the NB-IoT module， where the updated data of the water quality parameters can be viewed in real time. The system has certain promotion value and reference significance in improving the water environment monitoring and treatment work.

Keywords： water quality parameter; remote control and monitoring; cleaning mechanism

0  引  言

水质自动监测技术是许多国家水质监测中广泛应用的技术，我国水质自动监测站的建设也取得了长足的发展。我国的水质远程在线监测技术起步较晚，以往主要依靠进口，目前较为成熟的国产化设备在全国范围内得到大规模的推广，但是一般的大型水质远程在线监测系统因资金投入大，难以覆盖到各级乡镇、村一级的基层区域。随着我国乡村建设规划的逐步深入，乡镇一级生活污水设施设备的建设将逐渐趋于完善，由于乡镇一级区域对于水源的管理并不完备，一般不会设置专业的水处理管理人员进行日常的维护、监测和应急处理，多采用兼职人员，专业水平不足，监测及处理应急问题成为摆在我们面前的一项新的课题。研究一种投入少且适用于乡镇一级水质远程在线监测系统迫在眉睫。

为满足现实需求，本文研究设计一套对生活污水处理站进行远程控制以及对处理后水质的pH酸碱度、浊度等五项参数进行远程在线数据采集、分析、监测的系统。本系统采用嵌入式技术和无线通信技术相结合的方式，通过水质传感器采集模块对水质采集点进行数据采集，采用基于NB-IOT模块的无线数据通信模块将监测单元采集的水质参数数据传输到监控上位机，用户可通过上位机软件实时远程监控水质参数，实现对水质参数的远程实时检测、分析、预警以及对传感器的清洗等功能，同时实现了对水处理设备的启停控制。本文分别从系统整体设计方案、传感器工作原理及选取，以及传感器清洗装置设计方案几个方面进行阐述。

1  系统整体设计方案

本系统的整体设计框图如图1所示，其完成的功能主要有：完成水浊度、pH酸碱度、余氯、溶解氧和氨氮五参数的水质检测并显示在LCD屏上；完成以一定时间间隔抽取采集溶液泵入和排出储液容器动作；完成水质传感器探头的定时清洗；完成水质净化设备的远程启停控制和视频监控；完成水质参数手机APP端的远程显示、数据分析及启停控制。

本系统的主控单元为STM32，传感器与主控单元间的通信采用485接口，实现数据的采样和读取，显示在12864LCD显示屏上，通过NB-IoT模组远程传输到上位机的APP端，APP端可实时查看水质参数的更新数据。NB-IoT模组的数据传输采用中国移动公司自行开发的云平台实现，其优点是开发者可以免费使用，解决了开发者因费用高昂而无法单独搭建数据平台的问题。NB-IoT远程传输技术近些年来广泛应用在基于物联网技术的远程通信中，具有成本低、功耗低、安全性高和覆盖面广等诸多优点。NB-IoT技术基于三大运营商现有的4G移动蜂窝网平台，在移动网络能覆盖的地域均能实现数据的快速有效传输，这也是本设计方案选择该技术的主要原因之一。为过滤掉水源中的泥沙、杂草等杂质，保证取样水源的纯净度和保护传感器，本系统采用微型水泵定时抽取待测水样送入固定储液容器中，待测定完毕后由电磁阀将水排出，随即补充新的水样进入下一个待测周期。除完成水质参数的现场、远程监测外，本系统还可实现GPS定位和传感器探头的自动清洗功能，定期对传感器进行清洗，避免水中杂质、污染物附着在传感器顶部造成测量精度变低和寿命缩短。

2  水质传感器检测原理及选型

水质传感器是本系统的核心部件。可以说，水质传感器的选型和质量直接影响数据采集的准确性和有效性。影响水质的参数多而复杂，但pH酸碱度、浊度、溶解氧、余氯、电导率等是主要影响参数，本文选择研究所涉及的浊度、pH酸碱度、溶解氧、余氯、氨氮五个参数进行了分析与检测原理的介绍。

2.1  浊度及浊度传感器

2.1.1  水浊度参数选择

浊度，即水的浑浊度。浊度是衡量液体清澈度的指标，以指示悬浮颗粒的存在情况。其表现为肉眼可见，可通过浊度测量方法进行计算。高浑浊的液体浑浊不清，低浑浊的液体则是清澈透明的。浑浊度是水体水质健康指标的一项最基本的物理性状指标，比如天然水浑浊度高的话，主要是因为水中有黏土，还有微生物、悬浮物等，病原体可以靠这些悬浮物生存并以这些悬浮物为食，吸附大量的细菌，滋生许多病原体，导致肠道疾病和水传播疾病的爆发。所以说水体的浑浊度情况对于水体的水质安全还是极其重要的，浊度就是其中最具有代表性的检测项目，其实作为水的光学特性，浊度是比较难测量的参数之一。我们的国标GB 5749—2006推荐水体中的安全指标是1NTU，当我们的水源和环境条件受限的时候，我们推荐的安全指标是3NTU。除此之外，很多供水单位对于浊度都有自己的内控标准，因各供水单位的实际运行情况不同，具體的内控标准也有所不同。本文研究的是生活污水处理后需要排放水源区的水，因此我们要求其浊度控制在3NTU范围之内。

2.1.2  浊度传感器检测原理

基于以上原因，想要得到准确的浊度就必须借助专业的水质检测传感器，而不是依靠视觉的主观测量。其中较为常见的方法是测量90°散射光。

本项目采用的传感器也是90°散射光，因为是处理过的水，浑浊度比较低，与光源呈90°角的接收器用于检测散射光，这种布置方式适用于较低浊度的测量，从传感器光源组件发出的红外激光，遇到被测水体中的悬浮颗粒时会产生散射光。浸入水中的光电传感器接收元件能够实时检测到与入射光束呈90°角的散射光，以此转换对应浊度数值。散射光的强度越大，表示水体的浑浊度越高。若水体浊度较高则需要使用测量135°背向散射光的传感器，浊度高的液体含有大量颗粒物，大部分光线沿135°角方向散射，进而测出水体当前的浊度数值。

由此可见，90°和135°两个角度的散射光强度能够反映水体浊度的大小，带有4个接收器的传感器因能测量90°和135°散射光而具有更大的测量范围。本文测量的是处理后的生活饮用水排放标准，选用90°散射光即可，原理如图2所示。

2.2  pH酸碱度及pH传感器

2.2.1  水pH酸碱度参数选择

水体的碱度是指水中所含物质（如碳酸盐、钾、钙、钠、镁等多种矿物质），能接受H+离子，并能与强酸进行中和反应的物质总量。水体的酸度是指水体中能提供H+离子，并能与强碱进行中和反应的物质总量。水体的pH酸碱度即水体的酸碱度，它的数值大小介于0～14之间。当pH＞7时，水体呈现碱性；当pH＜7时，水体呈现酸性；当pH=7时，水体呈现中性。pH是水质的重要检测指标之一，pH酸碱度可以反映水环境的酸碱度、污水处理后的净化程度和天然钾、钙、钠、镁、偏硅酸等多种矿物质含量。

对人体健康有益的水是弱碱性水，所以无论南北，自来水的pH酸碱度基本上都会在7.2～8.8之间。一般城市自来水的pH酸碱度在7左右，自然水体大多数偏酸在6～6.5之间。当pH酸碱度升高（偏碱）时，水中的化学物质也会发生相应的改变，最为危险的是中性水中无毒的氨离子（NH4+）会转化为致命的氨分子。pH酸碱度可以直观反映水中是否含有天然矿物质。水的pH酸碱度与水中溶解的矿物质有关，若pH酸碱度偏高，水的口感会微甜，呈爽滑感。若pH酸碱度低于7，水的口感会更加爽口清新，一般饮用水的pH酸碱度应不小于6.5且不大于8.5。

2.2.2  pH酸碱度传感器检测原理

本项目使用的是pH恒电压型传感器电极，虽然pH试纸法简单粗略，用起来方便，但是它不便于定量分析和远程实时监控，也不够精准。相对来说，电位法测量pH酸碱度会更加准确、快速，它受水体其他因素的干扰较少。

pH酸碱度的电位测定法是根据玻璃电极或非玻璃电极的电位差进行测定的一种方法，它的测量原理是：原电池系统使化学能转化为电能，用对H+敏感的玻璃电极同参比电极组成原电池，玻璃电极主要由一个玻璃泡组成，它的下半部分是对H+敏感的玻璃薄膜，在玻璃膜与被测水体中H+进行离子交换，玻璃电极与参比电极之间形成电位差，通过测量两个电极之间的电位差，就能检测到水质中的H+浓度，从而测得被测水体的pH酸碱度。在相同的温度下玻璃电极的膜电位与水体的pH成正比，原理如图3所示。

2.3  余氯及余氯传感器

2.3.1  余氯参数选择

为确保经过处理的生活污水达到排放要求，避免水体传染病的发生，生活污水处理过程中必须添加消毒剂，杀灭水体中的致病微生物。综合考虑氯气的性价比较高，我国水处理行业中广泛采用氯气作为消毒剂。由于排放水源区处理后的水要达到饮用水标准，我们按照饮用水的标准进行监测，根据国家生活饮用水卫生标准，生活饮用水中余氯的含量必须大于等于0.3毫克每升，小于4毫克每升。如果加氯过少，会导致消毒效果不佳，微生物繁殖，如果加氯过多，则会导致管道腐蚀，消毒副产物增多，水体发生恶臭。在净化水的过程中，一些因素会影响加氯的效果：1）接触的时间，与水接触的时间必须大于等于30分钟，才能保证消毒效果。

2）投氯量。3）水温，水中的温度过低会导致检测的结果偏低。4）水的浑浊度。5）水中氨氮物质的含量。6）水体的pH酸碱度。因此，余氯是水质的一个重要指标，我们必须对它进行严格监测，保护水源区水质的安全。

2.3.2  余氯传感器检测原理

本文中系统采用的是余氯恒电压型传感器，它的原理是三电极法，测量原理图如图4所示。包含两个铂电极（CE、WE）和一个参比电极（RE），图4中的三个电极组成一个微电池测量系统，电极测量端（WE）保持一个稳定的电压，氯含量不同的被测水体在该电压下产生不同的电流强度，系统中的传感器具有良好的线性度，流经测量电极水样中的余氯会不断地被消耗掉，因此测量过程中必须保持水样连续不断流经测量电极，在流动的水域中监测余氯情况。本文余氯传感器具有稳定的零点性能，不容易发生零点漂移，所以系统误差小，能够得到精准的测量结果，并且它的结构简单，易于清洁，适于对水体中余氯、二氧化氯等含氯物质的检测。

2.4  溶解氧及溶解氧传感器

2.4.1  溶解氧参数选择

溶解于每升水中分子态氧的毫克数称为溶解氧，记作DO。水中溶解氧的含量受多种因素的影响，与空气中的氧分压、水温、水质等均有密切关系。其中水温是主要的因素，因此在测量水中溶解氧的同时一般也要测量水温，水中溶解氧的含量与水温成反比。溶解氧的含量还与水质有很大关系，例如当水体受到有机物污染后，喜氧菌生物降解一些有机化合物的过程中会消耗大量水中的溶解氧，甚至会把水中的溶解氧消耗殆尽，如果溶解氧得不到及时的补充，大量厌氧菌类就会迅速繁殖，污染水体。当水体污染不严重时，水体会自行补充氧自净使水质恢复如初，水体污染严重时，水体的自净能力变弱，甚至会失去自净能力。因此，溶解氧的含量是反映水质好坏的一个重要指标，我们必须对它进行严格监测，保护水源区水质的安全。

2.4.2  溶解氧传感器检测原理

作为一种实时在线监测系统，荧光法溶解氧传感器能满足需求，这种监测方法具有光化学稳定性、重现性，无须标定，响应快，精度高，对流量没有要求，使用寿命长等优势，能实现对水体中溶解氧的实时在线监测。它采用创新的荧光法替代传统的膜式电极，因此它无需更换，无电解液，免维护，无氧气消耗，没有流速和搅动要求，减少了仪器维护工作量，提高了测量参数的可靠性。《水质溶解氧的测定化学荧光法》自2021年3月31日起实施，它规定了测定水中溶解氧的化学荧光法。本标准适用于对本文中生活污水经过处理后水体中溶解氧的测定。

荧光法溶解氧的检测原理是荧光猝熄原理，如图5所示，当蓝光照射到测量薄片的荧光物质上时，薄片上的荧光物质受到蓝光的激发并发出红光，水体中的氧分子可以带走能量（猝熄效应），受蓝光激发所产生红光的发光时间和光照强度都与氧分子的浓度成反比。通过测量激发红光与参比光的相位之差，并与内部标定值进行对比，最终可计算出氧分子的浓度。

2.5  氨氮及氨氮传感器

2.5.1  氨氮参数选择

氨氮是指水体中游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）的存在，水体中氨氮的来源主要有两种方式：自然过程、人类活动过程。自然过程有降水降尘及非市区径流所含氮、生物固氮等。人类活动过程包括：1）未经处理或处理过的城市、乡村生活污水。2）工业生产废水、各种浸滤液和地表径流等。

3）化学肥料是水体中氮营养元素的主要来源。氨氮在水环境中硝化作用的产物有两种形态：硝酸盐和亚硝酸盐，它们作为水体污染物对饮用水有很大的危害，会产生致癌的亚硝胺，长期饮用会影响身体健康，诱发高铁血红蛋白症，游离态氨对水源区水体也会形成很大污染，造成水体富营养化，使水源区的鱼类中毒死亡。本文中生活污水的排放必然会带来大量的氨氮，在排放之前需要对其进行实时在线监测。

2.5.2  氨氮传感器检测原理

检测氨氮的方法有很多，但是本文要做到实时在线远程监测氨氮，只有选用电极法测量—氨气敏电极。

氨气敏电极由复合电极组成，指示电极为测量pH的玻璃电极，参比电极为银-氯化银电极。复合电极对置于盛有

0.1 mol/V氯化铵内充液塑料套管中，测量端紧贴指示电极敏感膜处有疏水半渗透薄膜会使得电解液与外部测量水体隔开，半透膜与指示电极—pH玻璃电极间有一层很薄的膜。当水体中存在强碱溶液将pH酸碱度提高到11以上时，铵盐会转化为氨，氨在扩散作用下会通过半透膜（半透膜用于阻挡水和其他离子通过），引起氯化铵电解质内NH4+=NH3+H+反应，引起氢离子浓度改变，借此由pH电极测得其变化。通过测得的电位值来确定样品中氨氮的含量，原理图如图6所示。

3  传感器清洗装置设计方案

本文中监测的对象为生活污水净化后的水体，虽然待监测水体已得到净化设备的相应处理，但囿于乡镇一级的设备投入少，净化效果有限，且缺乏专业的管理人员，净化后的水仍会存在一定的泥沙、污物等，传感器长时间浸泡于水体中极易使电极表面附着污渍，影响数据采集精度并造成传感器使用寿命的降低。因此，定期对水质传感器的电极进行清洗是非常有必要的。根据清洗原理的不同，传感器清洗方法大致可分为机械刷洗、超声波清洗、水射流清洗、化学溶液清洗以及采用多种手段的复合清洗。经过综合考虑，我们采用机械刷洗的方法，设计一款结构简单、安全可靠的传感器清洗装置，结构如图7所示。其机械结构主要包括清洗毛刷、传动齿轮、传动蜗杆、升降机构等。其工作原理为：清洗机构整体由主控电路定时启动，清洗的时间可以通过手机端APP进行远程设置，也可通过本机设置，具体的清洗时间可根据实际情况来设定。清洗程序开启后，升降电机开始轉动，带动传动皮带将水质传感器整体降下，使清洗毛刷与水质传感器顶部适合位置相接触，电机停止转动，等待主机清洗命令。固定传感器的支架被连接在两个可上下滑动的滑环上，为保证左右升降动作一致，采用两个升降电机做左右同步通向动作。清洗台包括传动齿轮、传动轴与毛刷、清洗毛刷、传动蜗杆、传动电机和滑动环，这些部件被安装固定在一个支架上，为满足防腐蚀、长寿命的需求，侵入水体的部件均采用耐磨塑料材质。清洗机构到位后，主机发出清洗指令，在传动电机的带动下，蜗杆带动齿轮转动，传动轴与毛刷一体同步转动，开始清洗传感器，在清洗一定的时间后，清洗台降低高度，毛刷与传感器脱离，清洗过程结束。实验测试结果表明，清洗后传感器探头顶部的清洁度基本达到了预期效果。

4  实验与测试

经过一系列的材料准备、系统设计、系統组装、程序设计后，进入系统测试阶段，并对异常水体进行报警显示。由于水体温度参数比较重要，增加了水体温度监控，我们进行了两组数据测试，一段为生活污水处理后测试，一段为生活用水测试，系统参数如图8所示，其中前半段生活污水处理后水体满足排放标准，数据精度达标，满足设计要求，后续系统调试工作还需在投入使用后继续优化。

5  结  论

本文以水处理设备净化后的水体作为监测实验载体，实现了一套以远程水质监测、设备启动控制以及传感器自动清洗为一体的小型水质参数远程控制监测系统，本系统简化了电路，基于免费云平台实现了远程在线监测和控制，具有体积小、安装便捷、成本低廉等诸多优点，具有一定的应用推广价值。

参考文献：

[1] 袁耀芬.原水在线氨氮仪及预处理装置的选用 [J].电子测试，2021（7）：114-115+121.

[2] 余晓晖.水质在线检测传感器自动清洗与标定装置研究 [D].杭州：浙江工业大学，2020.

[3] 刘雨青，陈泽华，曹守启.基于物联网的水质传感器监控及自清洗装置设计 [J].渔业现代化，2019，46（4）：42-48.

[4] 路庆鹏，金雪霞.养殖池塘水体中氨氮的来源、危害及控制 [J].科学养鱼，2019（6）：87.

[5] 笱成柳.城市剩余活性污泥与餐厨垃圾混合厌氧消化特性研究 [D].长沙：湖南大学，2014.

[6] 李日清.在线PH仪在污水处理系统中的使用及维护 [J].山西电子技术，2011（5）：35-36.

[7] 向德余，李平.废水中氨氮测定实验方法的研究 [J].科学之友，2011（2）：28-29.

[8] 杨玉珍，王婷，马文鹏.水环境中氨氮危害和分析方法及常用处理工艺 [J].山西建筑，2010，36（20）：356-357.

作者简介：许寒梅（1986—），女，汉族，云南昭通人，讲师，本科，研究方向：传感器原理与应用教学、测控技术；卢孟常（1976—），男，汉族，湖南湘潭人，教授，硕士，研究方向：电子信息技术和无人机应用技术的教学。