田媛

孫堅的課題是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測。在介紹他“高大上”的課題內(nèi)容時，他說：“我只是一個在電腦前搞編程和敲代碼的程序員?！?/p>

匠人該退了水污染類型多樣，苯、二氯乙烷、乙二醇等有機(jī)毒物造成的水污染，會毒死水生生物，一些重金屬如銅、鎘、汞、砷等，含量超標(biāo)也會嚴(yán)重影響水生生物的生命。這些多類型的污染許多需要借助專業(yè)測量工具才可鑒別。以往傳統(tǒng)的檢測方法費時費力，讀研后，孫堅跟著導(dǎo)師開始了“面向水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)”課題的研究。

其實，這種無線傳感的方法，孫堅從本科時就開始嘗試了。一次，他研究用于測試房間空氣是否超標(biāo)的甲醛監(jiān)測盒，“當(dāng)時我本科的專業(yè)是計算機(jī)技術(shù)，所以第一個想法是如何用計算機(jī)編程的方法去完成空氣中某些氣體含量的監(jiān)測，但是編程只能解決軟件處理的工作，硬件部分還需要摸索?！眱蓚€月后，孫堅選擇將傳感器作為硬件設(shè)備，“它可以將感受到的信息變換成電信號或其他形式的信息輸出?！?/p>

由于人們對不同類型房間的使用要求可能不同，孫堅設(shè)計了不同的傳感器，比如臥室需要可以感應(yīng)甲醛的傳感器，廚房需要可以感應(yīng)甲烷和一氧化碳的傳感器，還有一些能感應(yīng)PM2.5、感應(yīng)溫度或者濕度的傳感器等等，它們都可以將所感應(yīng)到的信息以電信號傳輸給總控制器，然后就可以在計算機(jī)上看到每一種待監(jiān)測氣體含量的具體數(shù)值?！斑@段經(jīng)歷讓我對無線傳感網(wǎng)絡(luò)這類型的課題有了一定了解和項目經(jīng)驗，而且我實實在在地了解過傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測的過程，也思考過它的一些不足之處，我對用計算機(jī)來對水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測有很大的信心。”

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測很辛苦，比如要測試山頂泉水的質(zhì)量時，師傅們經(jīng)常背著一個大書包，用一根樹枝作拐杖，跋山涉水爬到山頂瀑布口，用礦泉水瓶灌滿一瓶水，再帶回到城市的實驗室完成檢測，無論酷夏還是嚴(yán)寒，每周一次絕不缺席。雖然這種匠人精神讓人十分敬佩，但已經(jīng)不能適應(yīng)如今需求，“這種方法不能實時得出監(jiān)測結(jié)果，水質(zhì)監(jiān)測員艱難取樣后，得到的檢測結(jié)果已經(jīng)是好幾天前的了，如果某一地區(qū)的水源因為污染

物泄露，或者其他什么原因在某一段較短的時間內(nèi)發(fā)生劇烈的改變，這種監(jiān)測方式顯然不能及時發(fā)現(xiàn)問題；另外，不論在時間還是空間上，它都無法完成全方位測試，比如無法監(jiān)測水溫的變化，無法監(jiān)測水下較深的區(qū)孫堅域等；最重要的是，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式都是人工監(jiān)

測，人力物力成本都比較高。”

南京郵電大學(xué)計算孫堅加入課題組后，沒過多久就成了小組長。團(tuán)機(jī)軟件學(xué)院研究隊從傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測無法完成全方位測試作為突破口，生，目前在江蘇省無線傳感網(wǎng)高技術(shù)首先開發(fā)出了能適應(yīng)各種水下監(jiān)測的傳感器節(jié)點。節(jié)研究重點實驗室做點被放置在需采樣的水域后，就可以實時感知水環(huán)境課題中的關(guān)鍵參數(shù)了。除了硬件，團(tuán)隊還自主開發(fā)了一套水環(huán)境監(jiān)測的軟件系統(tǒng)，使無線傳感器節(jié)點與服務(wù)器之間形成雙向通信，“這樣一來，我們只需要查看計算機(jī)屏幕上顯示的數(shù)據(jù)，就可實時知道待測的水環(huán)境情況。這些節(jié)點可以長期放置，以實現(xiàn)長時間的監(jiān)測?！?/p>

雖然整套方案看上去十分有效，但實際操作起來的難度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎了想象?！拔覀兣龅降淖畲蟮臄r路虎是各種電路板的研發(fā)設(shè)計，因為傳感器在水下接收到的信號很弱，也很容易受到外在其他信號源的干擾。就拿PH傳感器來說，現(xiàn)有的PH傳感器有上千種，我們通過查閱資料，咨詢各類傳感器的公司和專家，還有實踐和模擬，最后采用了一種工業(yè)級的PH復(fù)合電極來采集水質(zhì)的PH值，可這個傳感器如何與單片機(jī)和電池板相連接又是個問題，經(jīng)過上百次的摸索，我們終于設(shè)計出了一個合適的電路方案?！?/p>

此外，團(tuán)隊還根據(jù)水環(huán)境的特點，對現(xiàn)有節(jié)點體系結(jié)構(gòu)中傳感模塊、通信模塊、控制模塊的集成和微型化等方面進(jìn)行了改進(jìn)?！案倪M(jìn)的主要原則和目的就是線路更優(yōu)化，信號采集更直接，信號輸出更準(zhǔn)確?！苯鉀Q了一系列難題后，這一整套軟硬件設(shè)備被搬到太湖水域，開始了實地監(jiān)測。

太湖試水

2016年8月，孫堅團(tuán)隊來到了中科院太湖觀測站?！伴_始工作后，我們先租了一條小船進(jìn)行布點，就是把那些傳感器節(jié)點拋到水面上。當(dāng)然拋的時候也不是隨隨便便拋，布點也是有講究的，比如在菱角這一類水面植物多的水域附近，我們布點就會比較淺，在水下植物多的水域，布點就會比較深；在有人活動的靠近岸邊的區(qū)域，布點會比較密集，在遠(yuǎn)離岸邊的水域，布點就稀疏一些。”

布點完成后，“只要打開計算機(jī)里我們?yōu)橥瓿伤|(zhì)檢測而開發(fā)的軟件，進(jìn)入系統(tǒng)的頁面后，點擊數(shù)據(jù)查詢這個選項，再輸入我們需要查詢的節(jié)點編號，就能看到我們所需要的各種數(shù)據(jù)了?！敝灰妼O堅用鼠標(biāo)點擊“完成并開始查詢”后，不到 1秒的時間，屏幕上立刻顯示出了包括時間、節(jié)點號、溫度、深度、 PH值以及節(jié)點坐標(biāo)等各種信息。孫堅說：“這個軟件除了可以實時查詢某一節(jié)點附近的水質(zhì)監(jiān)測情況，還可以將各種所需的數(shù)據(jù)圖形化，更直觀更具體。”

說著，他點擊了軟件上的“查詢節(jié)點能量”這一選項，計算機(jī)屏幕上便出現(xiàn)了一幅折線數(shù)據(jù)圖，以當(dāng)日早晨8時到中午12時為時間軸，我們看到，水溫在10

不到1秒的時間，屏幕上立刻顯示出了包括時間、節(jié)點號、溫度、深度、PH值以及節(jié)點坐標(biāo)等各種信息。

時到11時上升的速度最快，所有的數(shù)據(jù)一目了然。孫堅告訴我們，第一天團(tuán)隊成員們在太湖的岸邊看到這些監(jiān)測數(shù)據(jù)第一次出現(xiàn)在計算機(jī)屏幕上時，當(dāng)場的所有人幾乎都要跳起來了，“真的太激動了，這一年多來，我們真是經(jīng)歷了無數(shù)失敗，才算圓滿地完成了這次任務(wù)。”

孫堅很快從成功的喜悅中平靜下來，“其實我們還有再提高再完善的地方?！彪S后，孫堅提出了兩個改進(jìn)的方向，“一是后臺系統(tǒng)可增加提供歷史水質(zhì)監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)的查詢功能，對數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行一些分析，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時，系統(tǒng)可以報警。二是可以研發(fā)基于移動終端設(shè)備的水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，也就是開發(fā)出一款手機(jī)軟件，通過無線網(wǎng)絡(luò)和移動終端設(shè)備與后臺服務(wù)器進(jìn)行交互，讓我們能直接在手機(jī)上查詢到所需要觀測的水質(zhì)檢測節(jié)點處的水質(zhì)情況，完成數(shù)據(jù)的實時共享，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和管理。這樣的話，只需要攜帶一部手機(jī)，就可以實現(xiàn)對水環(huán)境數(shù)據(jù)隨時隨地的監(jiān)測?！?/p>

責(zé)任編輯：曹曉晨

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