何鑫　張振宇　李華麗　周兵奇

摘要：徐堰河柏條河作為成都市兩條重要的河流，對成都市的供水起到了至關(guān)重要的作用，因此徐堰河柏條河的水質(zhì)情況對成都市的用水安全有著重要的影響。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測是通過人工提取水樣，將水樣帶回實驗室進行水質(zhì)分析，該方法無法實現(xiàn)對徐堰河、柏條河水質(zhì)的實時監(jiān)測，易造成水質(zhì)監(jiān)測情況的延遲。一旦徐柏二河發(fā)生污染，這種監(jiān)測方式不能夠及時反映水質(zhì)污染情況，導(dǎo)致污染進一步擴大。通過采用在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時了解污染情況，能夠馬上采取措施，使污染處在一個可控的范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：成都市；水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；自動化；傳感器

中圖分類號：X832 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0075-02

1 背景分析

成都市地處川西水網(wǎng)區(qū)腹部，本地水資源總量為93.26億m³，過境水源量為183.76億m³。雖然成都市本地水資源與過境水資源構(gòu)成的水資源總量較為豐富，但成都市人均占有量卻不足3000m³，僅為世界人均占有量的30%。由此可見，成都市水資源并不充裕，并且已經(jīng)被列為全國缺水城市之一。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的提出，城市化進程的逐步推進，成都這個位于中國西部中心的古老城市正再次煥發(fā)出別樣的風(fēng)采。穩(wěn)步發(fā)展的經(jīng)濟、便利的交通以及天府之國宜人的氣候正吸引越來越多的人來到成都并在此定居生活。日益嚴(yán)峻的人口壓力將使本就不豐富的成都市水資源更顯得捉襟見肘，市民們的正常用水安全，特別是飲用水安全將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在有限的水資源條件下，為保障市民們安全、正常用水，水資源得到充分的利用，水質(zhì)監(jiān)測迫在眉睫。

從成都市水資源的構(gòu)成分析，我們把目光聚焦到成都市的徐堰河和柏條河。徐堰河柏條河自西向東貫穿郫縣，其不僅是流經(jīng)郫縣水資源最豐富的兩條河流，同時也為成都市中心城區(qū)提供90%以上的飲用水，直接關(guān)系到上千萬人的飲水安全，責(zé)任重大。因此，在徐堰河柏條河上建立水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)作用非凡，可大大提高成都市用水的安全性，最大限度的利用好本地水資源。

2 設(shè)計目標(biāo)

（1）保證成都市居民的用水安全。我們注意到在成都市城市結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的同時，居民用水安全問題面臨巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測模式不能滿足及時、實時的要求，水質(zhì)數(shù)據(jù)更新緩慢，市民用水安全難以得到有效保障。新的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將致力于為相關(guān)工作人員提供實時的水質(zhì)數(shù)據(jù)，為市民們的安全用水保駕護航。

（2）將自動化運用于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測是采取人工的現(xiàn)場采樣、室內(nèi)實驗室分析的方法，其數(shù)據(jù)傳輸途徑復(fù)雜，周期長，耗時費力，而且在工作人員將采樣帶回實驗室的過程中水質(zhì)可能會發(fā)生變化，相關(guān)工作人員很難及時全面地掌握水體水質(zhì)的動態(tài)變化，也難以對造成水質(zhì)變化的原因進行追蹤、調(diào)查和及時采取相應(yīng)的措施。基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將使水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進入到自動化時代，這將大大減少傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸過程中所耗費的人力物力，新的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)將更加經(jīng)濟高效，綠色環(huán)保。

（3）建立水質(zhì)綜合分析系統(tǒng)。各水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點將與處于終端的水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)練成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，運用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對水質(zhì)的各項數(shù)據(jù)、相關(guān)儀器、人力等資源進行綜合管理，實現(xiàn)多方面、多角度、多目標(biāo)地對水質(zhì)進行分析，最大限度地減少影響水質(zhì)分析結(jié)果的因素，為及時、全面的水質(zhì)分析提供技術(shù)支持，對水質(zhì)惡化等突發(fā)情況進行預(yù)警，同時也能及時對水質(zhì)變化原因進行追蹤調(diào)查，采取及時措施。

（1）水質(zhì)取樣。水質(zhì)取樣是整個系統(tǒng)的龍頭，它是整個系統(tǒng)的眼睛，只有擁有犀利靈敏的眼睛，才能保證整個系統(tǒng)的正常運行，這可謂是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。水質(zhì)取樣依托于傳感器的選用和布置。

對于傳感器的選擇，其基本要求就是要滿足能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的測量，并且可以實現(xiàn)連續(xù)測量的要求。因此，傳感器首先應(yīng)具有高靈敏度，確保能感應(yīng)到水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機物含量、重金屬含量等對水質(zhì)有重大影響的指標(biāo)的變化，并且能及時的做出反應(yīng)。其次，考慮到該系統(tǒng)監(jiān)測的徐、柏二河的流域面大，為了監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、監(jiān)測覆蓋區(qū)域不失一般性的需要，傳感器的部署點較廣、數(shù)量較多，而且傳感器的布置不應(yīng)影響徐、柏二河的正常生態(tài)情況，傳感器還應(yīng)滿足體積小、成本低的要求。最后，傳感器是自動化中重要的一個環(huán)節(jié)，其處于長期無人看守和相對較惡劣的環(huán)境下，為了能保證長久的生命周期和不受外界條件的干擾，傳感器必須具備性能穩(wěn)定和低功耗的要求。

對于傳感器的部署，考慮到不同物質(zhì)由于自身密度不同的原因，其隨水流流動的速度不一樣，導(dǎo)致污染物等化合物隨水流深度的不同，各種需要被監(jiān)測物質(zhì)的含量也不同。同時，由于水體內(nèi)浮游植物、陽光、溫度等因素，不同深度的水中，諸如融氧、有機物含量等被監(jiān)測物質(zhì)的濃度也會有一定的差異。因此，在建立傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的時候，傳感器的布局十分關(guān)鍵。為實現(xiàn)水體中不同深度都有傳感器的存在，我們可以通過將傳感器通過錨索固定在水底，每個傳感器上系一個浮標(biāo)，通過浮標(biāo)的浮力使傳感器節(jié)點懸浮在不同水深。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可分為三個部分。其一是基于傳感器的水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸；其二是匯聚節(jié)點與嵌入式網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸；其三是嵌入式網(wǎng)關(guān)與水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器與匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸是整個數(shù)據(jù)傳輸中的核心。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強的特點，其使用協(xié)議簡單，傳輸速率在20K字節(jié)/秒至250K字節(jié)，秒之間，其有效傳輸范圍為10-75m。

ZigBee技術(shù)所具有的這些特點契合了傳感器正常工作所需要的條件，解決了傳感器分布廣泛、易受環(huán)境干擾等帶來的問題。通過ZigBee技術(shù)傳感器組成一個樹形通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測范圍得到了有利保障，數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點也更易整合。

在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點分為兩類，第一類傳感器節(jié)點作為終端專職于采集、發(fā)送實時數(shù)據(jù)；第二類類傳感器節(jié)點兼顧終端和路由器雙重功能，在采集、發(fā)送實時數(shù)據(jù)的同時，還要對其他節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行存儲、融合等處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過第二類傳感器節(jié)點整合后再將發(fā)送至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點為整個無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)管理者，匯集處理各個節(jié)點的數(shù)據(jù)。由于匯聚節(jié)點處數(shù)據(jù)流量較大，ZigBee技術(shù)傳輸速度慢，且不適于遠距離傳輸，故在數(shù)據(jù)傳輸途中設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet的協(xié)議轉(zhuǎn)換。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過串口獲得數(shù)據(jù)后對其進行封裝，通過Internet進行遠距離傳輸至水質(zhì)綜合分析系統(tǒng)。

（3）水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將實現(xiàn)對各項監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀器等一系列相關(guān)資源的統(tǒng)一管理，形成高效集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備實時監(jiān)控能力，能對徐柏二河水體中的氧氣含量、氮磷含量、PH值、有機物含量、重金屬含量進行實時監(jiān)控，依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)進行綜合的水質(zhì)評價，對水質(zhì)情況進行預(yù)報。在與已有數(shù)據(jù)相比較的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)能及時對水質(zhì)的惡性變化發(fā)出預(yù)警信息，為相關(guān)人員制定應(yīng)急方案提供參考。系統(tǒng)運行后，在獲得大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對水質(zhì)資料進行整編保存，以此作為以后水質(zhì)監(jiān)測綜合分析工作的指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

我國的水質(zhì)監(jiān)測以往常采用現(xiàn)場采集水質(zhì)信息然后回實驗室進行后期分析處理的方法，這種傳統(tǒng)的方法明顯存在采樣數(shù)量少，水質(zhì)監(jiān)測周期長，無法獲得水質(zhì)實時數(shù)據(jù)，無法對水質(zhì)突發(fā)惡性變化進行預(yù)警等方面的不足。徐堰河、柏條河水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能充分利用系統(tǒng)各組成部分的優(yōu)勢，做到在水質(zhì)監(jiān)測區(qū)域廣采樣，及時為后方水質(zhì)綜合分析處理系統(tǒng)傳輸水質(zhì)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水質(zhì)的實時監(jiān)控，提高對水質(zhì)污染等突發(fā)惡性情況的預(yù)警處理能力，并以此為成都市居民的用水安全提供保障。自動化的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的運用不僅是在成都，在全國也是一項新的工程。在后期使用過程中，確保系統(tǒng)各部分正常運行，達到設(shè)計使用目標(biāo)，真正發(fā)揮該系統(tǒng)實時監(jiān)控預(yù)警的作用，這些都將為我國水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供參考，具有重要的意義。