隨著水環(huán)境治理精準(zhǔn)化需求的提升，水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與污染預(yù)警成為生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其低成本、廣覆蓋、高響應(yīng)的特性，逐漸成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的核心技術(shù)支撐。工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，整合物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制與數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體多參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與異常預(yù)警，為水環(huán)境治理提供科學(xué)決策依據(jù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 “前端感知 - 數(shù)據(jù)傳輸 - 云端管控” 的三層架構(gòu)，構(gòu)建全域覆蓋的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。前端感知層部署多樣化監(jiān)測(cè)設(shè)備，針對(duì)不同水域場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸層通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)完成原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸；云端管控層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、分析與預(yù)警發(fā)布，三層架構(gòu)協(xié)同工作使系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性、可靠性與擴(kuò)展性。系統(tǒng)核心監(jiān)測(cè)對(duì)象包括電導(dǎo)率、pH、溶解氧、濁度、溫度等常規(guī)水質(zhì)參數(shù)，以及 COD、氨氮、葉綠素、藍(lán)綠藻等特征污染指標(biāo)，可滿足河流、湖泊、水庫(kù)、水源地等多場(chǎng)景監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵技術(shù)模塊

傳感器感知模塊

傳感器模塊采用投入式設(shè)計(jì)，可直接浸入水體完成數(shù)據(jù)采集，核心部件選用高精度傳感元件，其中溶解氧傳感器基于熒光猝熄原理，通過(guò)檢測(cè)藍(lán)光與紅光相位差計(jì)算氧分子濃度，pH 傳感器利用氫離子玻璃電極與參比電極組成的原電池實(shí)現(xiàn)電位差測(cè)量，氨氮傳感器采用離子選擇性電極技術(shù)，無(wú)需化學(xué)試劑即可完成檢測(cè)。所有傳感器均具備自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能，防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP68，能適應(yīng) 0~65℃的工作溫度與復(fù)雜水體環(huán)境，數(shù)據(jù)分辨率可達(dá) 0.01pH、0.01NTU 等高精度水平，為后續(xù)分析提供可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊整合 4G、LoRa、NB-IoT 等多種無(wú)線通信技術(shù)，遙測(cè)終端機(jī)（RTU）作為核心控制單元，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸任務(wù)。該終端支持實(shí)時(shí)在線與定時(shí)喚醒兩種工作模式，待機(jī)功耗低于 1mA，可通過(guò)太陽(yáng)能供電或市電供電保障持續(xù)運(yùn)行，具備遠(yuǎn)程配置、升級(jí)與重啟功能，大幅降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程采用 Modbus/RTU 協(xié)議進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被干擾或篡改，傳輸周期可自由設(shè)置，最短間隔小于 1 分鐘，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

監(jiān)測(cè)終端部署

監(jiān)測(cè)終端根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分為浮標(biāo)式與岸邊式兩種類(lèi)型。浮標(biāo)式終端以 PC 與鋁合金復(fù)合浮體為載體，集成傳感器、太陽(yáng)能板、鋰電池與錨定系統(tǒng)，適用于開(kāi)闊水域監(jiān)測(cè)，太陽(yáng)能板與 60Ah 鋰電池組合可實(shí)現(xiàn)全天候供電，錨定系統(tǒng)通過(guò)鑄鐵錨與尼龍繩固定位置，傳感器配備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)自清潔裝置，減少淤泥附著對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響。岸邊式終端采用鋼制結(jié)構(gòu)搭建，集成采水、配水、檢測(cè)與控制單元，采水單元通過(guò)浮筒式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水位自適應(yīng)取水，水樣經(jīng)過(guò)濾預(yù)處理后直接輸送至檢測(cè)單元，該終端具備占地面積小、安裝便捷的優(yōu)勢(shì)，可滿足固定點(diǎn)位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需求。

云端管理平臺(tái)

云端管理平臺(tái)作為系統(tǒng)的核心管控單元，具備站點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)展示、趨勢(shì)分析與預(yù)警發(fā)布等功能。平臺(tái)支持實(shí)時(shí)查看所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)圖表形式展示歷史曲線，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表與分析報(bào)告，同時(shí)具備數(shù)據(jù)異常預(yù)警功能，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并推送至管理人員的手機(jī)端與電腦端。平臺(tái)采用分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，結(jié)合本地 flash 與云端備份雙重保障，確保歷史數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)且掉電不丟失，支持多中心數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn) “一包多投” 功能。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過(guò)密集網(wǎng)格化布點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全域水質(zhì)覆蓋，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳輸至云端后，由智能分析算法完成濃度分布場(chǎng)構(gòu)建與水質(zhì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，使管理人員能精準(zhǔn)掌握污染擴(kuò)散路徑與變化規(guī)律。異常預(yù)警功能基于閾值判斷與趨勢(shì)分析雙重機(jī)制，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)排放、水質(zhì)突變等突發(fā)情況，還能通過(guò)數(shù)據(jù)溯源鎖定污染源位置，為污染防治措施的快速實(shí)施提供支撐。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)需求靈活增減傳感器類(lèi)型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，后續(xù)擴(kuò)展的參數(shù)可直接接入現(xiàn)有系統(tǒng)，無(wú)需二次建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。

結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)整合與架構(gòu)優(yōu)化，突破傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式的時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)。其在水環(huán)境治理中的應(yīng)用，不僅提升了監(jiān)測(cè)效率與數(shù)據(jù)精度，更推動(dòng)污染防治從 “被動(dòng)應(yīng)對(duì)” 向 “主動(dòng)預(yù)防” 轉(zhuǎn)變，為河湖長(zhǎng)制落實(shí)、水源地保護(hù)等工作提供可靠技術(shù)保障，對(duì)推動(dòng)生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。