时间：2022-08-26 18:17:19
关键词：物联网；在线水质监测；传感器
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0185-03
据2009年环境状况公报统计，珠江、长江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。 中国社会科学院环境与发展研究中心副主任郑易生指出，中国的各种水环境质量检测报告，由于受布点数量和布点区域的限制，“并不能充分、真实地反映国内水污染现状”。目前的水质监测现状揭示了中国水污染的严重程度和水质监测的建设落后程度。
水质监测适用于源头水、国家自然保护区，集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场；鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区等静态水域。传统的水质监测，需要耗费大量的时间以及大量的人力，经过繁琐的步骤才得到数据，而在线水质监测系统可以实时的监测数据，自动进行设备的充电，用户登录App或者网站即可看到数据。
1系统总体的设计
在线水质监测系统如图1所示，水质监测系统整体分成三层，感知层、网络层以及应用层。感知层是系统的核心，是信息采集的关键部分；网络层对整个系统进行无线连接，通过①LoRa技术将所有的水质监测仪连接起来，LoRa数据接收端将数据通过互联网传输到服务器，服务器进行数据处理[1]。应用层位于三层的顶层，将服务器处理的数据通过App以及网站展现给用户，让用户可以直接地看到想要的数据以及与前几次对比所产生的差异。
2水质监测硬件设计
水质监测仪构想如图所示，是由CC2530控制了整个水质监测仪，数据的采集主要是通过传感器来完成，L9110S是用来控制电机的上浮下潜以及在水中游动，而SL1053是用于来管理太阳能，锂电池用于存储电量。
CC2530芯片对整个系统起着至关重要的作用，将传感器收集的信息存储和发送到服务器，并且接收从服务器传来的信息，再将数据以指令的形式进行命令的传达。
（一） 数据采集模块
系统通过温度传感器、PH值传感器、浊度传感器、含氧量传感器模块来采集温度、PH值、浊度、含氧量等信息。
1）温度传感器
采用PT100温度传感器，对水的温度进行测量，PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的上升而迅速匀速的增长，铂热电阻具有精度高、稳点性好、性能可靠的特点，适用于长期进行水质的温度的监测[2]。
2）PH值传感器
采用PH值传感器，对水中的氢离子浓度进行监测以及转换成相应的可用输出信号，整体是一种密封状态，能够很好的防水，而且使用寿命长，适用于长期进行水质的PH值的监测[3]。
3）浊度传感器
采用TS浊度传感器，对水的污浊度进行测量，判断水的洁净度，浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，本传感器采用散射光与透射光比值代替单纯的散射光测量浊度，传感器的准确度、可靠性提高，维护更加简单，抗污性增强，适用于长期进行水质的浊度的监测[4]。
4）氧气含量传感器
氧气含量传感器，对水中的氧气含有量进行监测，它是由一个银阳极和金阴极组成，两极之间存在着电势差，氧气在阳极下进行反映，通过半透膜向阴极扩散，根据流过两级电流的大小就能测试水中氧气浓度的比例关系，适用于进行氧气的监测[5]。
（二） 数据传输模块
数据输出模块主要由继电器及光耦合器构成，设计中使用的是一种两个接线端为输入端，另外两个接线端为输出端，中间采用光耦合器实现输入输出电隔离的高性能固态继电器，该继电器具有功率小、高灵敏度、高可靠性等特点。在水质监测系统运行中，当控制器接收到用户的指令后可以将数据返回到用户手中，并且控制仪器进行游动。
（三） L9110S半导体处理器
如图3所示，L9110S是控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，具有较强的驱动能力控制水质监测仪的上浮下潜，以及四处游动。
（四） 线性锂电池芯片SL1053
SL1053是高精度的线性锂电池充电的芯片，SL1053可以通过检测电池电压来决定其充电的状态：预充电、恒流充电、恒压充电。均衡的管理锂电池的充电模式和查看电量的剩余量。同时控制着太阳能的充电状态，以及当充电结束后将自动发送完成指令给CC2530控制芯片。
3水质监测网络设计
如图4所示，网络层是用户与仪器之间进行交流的媒介，网络层由LoRa数据传输芯片、互联网以及服务器组成，水质监测仪通过多个LoRa节点进行连接以及数据的传输，可以直接将数据直接传输给LoRa数据接收终端，终端将数据通过互联网传输到服务器，服务器对数据进行处理以及分析，通过互联网将数据传输给用户。
1）LoRa
LoRa是一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗的数据传输技术的芯片，其接收数据的灵敏度达到了-148dBm，与其他的芯片相比较得到了很大的提升，所以我们的水质监测系统中会采用到LoRa芯片，对池塘、水库的监测有较大优势，相比较其他的监测设备使用更加便捷，只需要进行一次布局就能长期的进行在线的监测数据，而不是取到每个区域进行水的采样，然后在检验室来一一的监测数据，可以省去大量的人力物力以及财力，用户操作起来会简单，我们称之为傻瓜式操作。LoRa数据接收终端将几个个体的水质监测仪的数据进行统计，发送到服务器进行统一处理得到综合的数据反馈以及位于不同区域水质之间的差异。
2）服务器
服务器主要是进行数据接收、处理、统计以及进行信息的推送。同时进行管理水质监测仪，监控各项指标是否正常，对用户的信息进行管理等。
4水质监测仪应用设计
（一）软件设计
软件设计分为服务端和客户端，服务器端主要是对用户的信息进行管理，数据的分析。客户端则是用户查询获取信息，发送指令，位置的定位。
1）服务器端
服务器是信息管理的中心，服务器内储存着用户的信息，水质监测仪编号类型等信息，用户使用反馈信息，水质监测仪监测的数据，服务器会将信息统计成曲线图表的形式反馈给用户，给予用户最直接的观察。
2）客户端
客户端可分为PC端和移动端，移动端更适合进行信息的修改，数据的查看。而移动端适合进行水质监测仪的操控，方便携带，随时都能观察数据的变化。
（1）PC端
PC端会有水质监测仪的介绍，用户能根据自己的需求选择水质监测项的指标，我们会根据用户提供的信息进行私人定制，达到更精准的监测；用户能对自己的水质监测仪进行地图定位；用户能修改自己的信息；用户能通过图表、曲线、矩状图的形式查看数据；用户能根据自己的问题向我们反馈；
（2）移动端
移动端相比PC端携带方便，随时随地都能查看水质监测仪监测的数据，能够绑定水质监测仪进行操控，能查看水质监测仪的电量，能信息的录入，位置的定位。
（二）模型设计
水质监测仪整体外观像一个蘑菇。上为蘑菇伞帽，下为蘑菇杆，这样的设计有利于设备的上浮下潜以及设备在水中的平衡运行。最上层为太阳能电池板，对设备进行电量补给。中间是一个气孔，它能够吸收空气到设备内部使设备变轻，从而方便设备的上浮。旁边以及下面会设有传感器，来监测数据。下面设有螺旋桨，一共设有四个，分别控制设备的上浮下潜和设备的游动。
5结语
本文提出了基于物联网在线水质监测系统构想结合了互联网，实现了互联网+的创意，符合现在时代的发展，能够很好的解决价格昂贵，操作复杂的水质检测，运用了多种比较稳定的传感器，保证了系统稳定性。主要适用于水库，鱼塘等，对人类的健康造成威胁的一切水源都能进行监测，给人们健康美好的生活环境。
参考文献：
[1]龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输[J].技术交流，2016.
【关键词】 饮用水水源地自动监测在线监测监测项目
饮用水是人类生存的基本需求,饮用水安全问题直接影响到广大人民群众的身体健康。保障饮用水安全是促进经济社会发展、提高人口素质、稳定社会秩序的基本条件,是全面建设小康社会的具体行动,是实现经济社会可持续发展、构建和谐社会的基础。岳城水库位于河北省磁县与河南省安阳县交界的漳河干流出山口处,距河北省邯郸市区55公里,距河南省安阳市区25公里,下游距京广铁路桥15公里。岳城水库水质为国家地表水二类,是邯郸、安阳两市重要的城市生活饮用水源地,被邯郸市列为一级水功能保护区。近年来,岳城水库在水资源优化配置方面发挥了显著的功能。先后实施了“引岳济淀”、“引岳济衡(衡水湖)”、向漳河下游及天津南大港湿地输水、向邯郸生态水网输水等,为国民经济的可持续发展和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。
1 水质监测参数及监测仪器
水质自动监测系统由采样系统、储水单元、清洗系统、控制系统、数据通讯等部分组成。水样由采样泵抽出,水样直接进入储水单元,由输送泵将水通过地板下的管道输送到仪器后面的第二道过滤装置(过滤蕊,即综合分析仪)里。按不同仪器的要求,进入不同的过滤蕊里(每个仪器后都有一个过滤蕊),这样通过过滤蕊符合仪器所用水样要求的水,经软管进入仪器,对五参数(浊度、溶解氧、pH值、电导率、温度)、总磷、高锰酸盐指数、氨氮、铜、铅、锌、镉、汞、六价铬、砷、挥发酚、苯胺17项参数进行监测。重金属项目(铜、铅、锌、镉、汞、六价铬、砷)这7台仪器在测量前先通过自身的蠕动泵将纯净水吸入反应室、测量室及各个管路进行清洗,以免造成数值不准,清洗后再将水样吸入反应室进行反应,所用测量方法同实验室。反应后,一导管将反应液吸入测量室,仪器自动推导出结果(全部工作过程大约需45-90min左右),反应结束后废液自动通过专用流路流出并排出监测室,最后再次吸入纯净水对仪器进行清洗,等待下一次测量过程。挥发酚项目采用比利时进口设备,简化水中挥发酚测定样品的处理过程,减少毒性大的有机溶剂与操作者接触利用酚类物质在酸性水溶液中溶解度很小的性质,通过调节水溶液的pH值,采用光程长30mm比色皿,用4-AAP直接分光光度法测定。其测定水中挥发酚的准确度、回收率符合生活饮用水卫生规范的要求,与国标法检测结果相比对,相差无显著性。4-氨基安替比林直接分光光度法测定水中挥发酚,检出限完全满足生活饮用水卫生标准要求,而且操作简便快速,适用于日常检测工作的需要。
2 数据传输与报警
整个采集程序主要通过自报方式完成数据的收集,由于线路及其它一些不可预测的原因,可能造成数据发送的不完整,这时就需要通过数据采集功能,完成对数据的收集。数据采集功能包括实时和历史采集等采集方式。
为保证岳城水库饮用水源地水质安全,水质测定设置为每2小时抽水测量分析一次。所有数据每30min通过GPS上传到工控机的数据平台中,实时显示在显示器上,并自动保存在文件夹中,便于随时查看。数据平台设置短信超标报警系统,一旦水站中任何数据超出预设数值,平台就会自动向负责人发送短信,以便第一时间制定应急方案。
3 水质自动监测站设备的维护
岳城水库水质自动监测站采用国产设备与进口设备相结合的方式,需要维护人员定期对系统和仪器进行维护,需分每日、周、月和季度检查维护。每日系统维护内容为检查管路是否滴漏,取水是否正常,各个泵体是否运转正常,处理板上的反吹空气压力、进样压力、进样流量、运行记录是否正常,有无报警记录;每周对空压机进行排水;每月拆洗预处理板上的过滤蕊,各电器部件温度及工作性能。仪器维护为每日检查仪表读数是否异常,仪表进样是否正常,试剂引管是否在位;每周检查蠕动泵是否泄露,试剂引管是否短缺;每月清洁仪表,检查仪表内电磁阀工作性能,检查蠕动泵运行性能;每季更换蠕动泵管,清洗测量池,标定仪表;所有项目均需填写水质自动站运行维护表,此表不定期进行检查,每年进行档案封存。
4 水质自动监测站的优点及存在问题
岳城水库水质自动监测站是邯郸市首个在饮用水源地上建设的水质自动监测站,与常规水质监测相比,增加了重金属项目和有机项目,避免了因取样、运输、放置时间较长而造成水样发生物理化学变化,减少了相关分析的工作量。它的建成在提高站点水质信息采集的时效性,及时发现监测河段水污染事故等方面发挥作用,实现了远程智能化控制,自动站工作状态实时显示的功能,为水环境管理、水资源利用等提供了决策依据。水质自动监测站也存在一些问题,与常规实验室相比监测参数较少,目前只有17项,有机物和其它盐类离子等没有监测技术;由于路途遥远,来回需要半天时间,不能及时对设备进行及时维护,只能采用定时维护。
5 结语
岳城水库饮用水源地水质自动监测系统的建成运行弥补了邯郸市水质在线监测工作监测项目单一的缺陷,此水站系统技术设备先进,数据传输准确、方便、可靠,实现了数据监测远程监控和超标预警,可对水质进行全天候监测,能及时掌握水质变化情况,从而为各级政府和相关职能部门有效预防和控制突发性水污染事件提供及时准确的决策依据。
参考文献:
[1]刘晓茹,周怀东,李贵宝.水质自动监测系统建设[J].中国水利,2004,(09):49-50.
关键词：监测 单片机 酸碱度 温度
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0014-02
水质自动监测系统是20世纪70年展起来的，1966年纽约州安装了第一台水质自动化监测器，然后美国各州开始效仿，现在美国已有了以计算机为主体的、全国性的远程水质自动监测网。而我国对水质自动监测系统的研究始于80年代，我国传统的环境监测方法多是人工操作，主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。随着经济的飞速发展，现在我国已经建立全国重点流域水质在线监测系统，并且可以很好的监测水质变化，掌握水污染变化，但是我国各地区的监测水平不一致，重点流域和经济发达城市监测系统水平较高，已经开始和发达国家的技术接轨，但是偏远地区或经济不发达的地区监测系统水平较低，有些地方甚至还是采用人工监测的手段，我国的水质监测系统还需要很多完善。本设计针对监测问题提供一个可行的监测思路，使监测工作方便化、系统化。
1 系统设计思路
水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成。水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通的。现场监测模块首先通过各种传感器对反映设备工作状态的数据进行采集，并进行分析处理和判断，然后将结果数据进行缓存，通过与单片机相连的显示模块进行显示，实现即时显示的功能。现场监测采集模块再通过RS485总线与RTU模块相连通讯，RTU内含有专用的GSM模块，RTU先通过RS485总线把测得的数据进行收集，然后通过人为设定时间，按时将收到的水质数据通过GSM模块经过GSM无线网络发送短消息给监测中心站，实现水质远程监测无线传输。水质监测中心作用为数据监听、接收并将其与数据库进行连接，将数据保存到数据库中，完成了水质监测中心对水质参数的接收、保存及管理功能。设计思路框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 测量模块设计
系统以AT89C52作为主控单片机，温度传感器直接与AT89C52单片机相连完成温度的测量，而pH传感器则需要信号调理电路、抗干扰电路和A/D转换电路后能使单片机完成测量，然后测量结果可以在液晶显示模块即时显示，然后通过RS485总线传输出去。
2.2 单片机最小系统
系统以AT89C52最小系统为基础，AT89C52芯片为中心，在RST端口外接一复位电路，在XTAL1端口和XTAL2端口外接震荡电路，然后把VCC和EA端口接VCC。这样一单片机最小系统就成功了。此时单片机就能实行基本的功能，晶振可以为单片机提供时钟周期，复位电路可以解决重启问题，EA解决了单片机读取内部存储的问题，最后VCC和GND保证芯片工作。最小系统图略。
2.3 传感器
pH传感器采用复合电极，玻璃电极作为测量电极，甘汞电极作为参考电极，当氢离子浓度发生变化时，玻璃电极和甘汞电极之间的电动势也随着变化，这就是复合电极的测定原理。以玻璃电极为指示电极，银-氯化银电极为参比电极，将两种电极形成的复合电极插入待测溶液中，复合电极和待测溶液形成原电池，复合玻璃电极的两条输出引线分别接原电池正极和负极。依据nernst方程，原电池的输出电动势与被测溶液pH值之间满足式E=E0+KT（pHx-pH0）。E为原电池输出电动势，E0为常数，为与电极材料，内参比溶液，内参比电极以及电位有关的电位差，K为常数，为nernst系数，T为被测溶液的绝对温度，pHx是被测溶液的pH值，pH0为复合玻璃电极内缓冲溶液pH值。
2.5 抗干扰电路
由于信号放大电路很容易受到其他信号干扰，主要表现为工频干扰，对于谐波的干扰可通过低通滤波器去掉，要去掉49.5～50.5 Hz的干扰就需要一个陷波器。50Hz工频信号对信号采集有很大影响，必须除去。本设计采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号。电路的中心频率：f=1/2π RC。对于f>f0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经过电容直接传输到运放的同相输入端即Ui=U+；对于f
2.6 12位A/D转换
TLC2543是12位分辩率A/D转换器，在工作温度范围内10μs转换时间，11个模拟输入通道，3路内置自测试方式；采样率为66kbps，线性误差±1LSBmax，有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了，其中CLK为输入/输出时钟端。TLC2543是12位串行A/D芯片，所以模拟信号输入可以只采用一个端口，本设计采用的是AIN0，然后只需把TLC2543的主要功能端接在单片机I/O口上就行了。TLC2543接单片机如图2所示。
3 系统软件设计
主程序中首先对系统的各个参数，变量，I/O口和串口进行了初始化。通过定时器精确计时产生中断，每中断一次即启动一次AD转换子程序，读取各个监测通道的测量信号。又通过调用温度检测子程序对测量值进行温度补偿处理测量信号。最后调用LCD1602显示子程序，将测量值显示出来。完成了对传感器测量信号的采集、处理和显示的主循环。同时把测得的数据进行保存，保存的位置为自定义的存储空间，以便查找使用，然后通过串口中断把数据发送给了RTU，RTU再发送数据给接收设备，整体主程序如图4所示。
4 结论
本文系统介绍了水质远程监测数据采集系统的设计方法。水质远程监测数据采集系统由监测现场部分和水质监测中心部分两部分组成。监测现场部分主要是由水质监测模块和内部带有GSM模块的RTU单元组成，水质监测中心部分则是装有环保综合管理信息系统软件的PC机和短信息终端接收设备，监测现场部分和水质监测中心部分是通过GSM无线网络实现互通，实现水质远程监测数据采集任务，对水质监测工作具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 王凯军，贾立敏.城市污水生物处理新技术开发与应用[M].北京：化学工业出版社，2001.
[2] 郭鹏，孙玮，韩璞.基于手机短消息（SMS）的远程无线监控系统的研制[J].计算机测量与控制，2002：506-507.
[3] 戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.
【关键词】水质污染；突发性事件；应急监测；对策建议
饮用水安全及保障直接关系广大人民群众身体健康和生命安全。随着澄城经济的快速发展，人民生活和经济建设密切依赖于城市供水，近几年来，我县供水水源、净水厂、供水管网的建设和改造取得较大进展，污染源治理和饮用水监督管理力度不断加大。但是饮用水安全问题仍然存在，县城水源地水质不合格、污染和水量不足问题比较突出，供水管网建设落后，导致二次污染，水质监测和检测能力不足，应急监测能力较低。水源和供水系统的污染直接危及公共安全。建立完善的水质预防监测体系，以应对突发性环境污染，迫在眉睫，是十分必要的。
一、我县水源水质预防监测体系的发展现状
在水资源的管理上，中国过去一直有“九龙治水”的说法，在我县同样如此。水保局作为水资源管理的职能部门，虽然建立了自己的水质检测中心，但仅限于常规简单项目的分析，随着新的《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的颁布实施，水质指标由35项增加至106项，增加了71项，给水质检测带来挑战和一定的难度。目前，我县水保局正在筹建新的检测中心，购置设备，培训人员，提升检测能力。
澄城县环境保护局同样负担者全县水资源污染的统一监督管理职能，其下属的环境保护监测站经过近20多年的发展，该站的实验环境、仪器设备、管理水平在渭南市同行业实验室中处于领先水平，目前具备国家地表水和饮用水标准的检测能力近40余项。
我县历来重视水源水质的监督监测工作，目前，县环保局依据国家地表水环境质量标准（GB3838-2002）和地下水环境质量标准，对我县主要饮用水源五一水库和温泉，进行每季一次的水质监督监测，并定期向社会公布水质状况。我县还建立了县城供水水质月报制度，依据国家生活饮用水卫生标准（GB5749-2006），由县水保局、卫生局对自来水公司的进厂原水、出厂水和管网水实施每月一次的监督检查，并将检测结果在重要媒体进行公示。目前，县水保局正在承担建立全县范围内的多个管网水质在线监测点的论证工作，准备对余氯、浑浊度、pH三项水质参数和压力进行在线监测。
总体来说，近几年来，我县的水源水质预防监测体系得到了良好的发展，取得了令人瞩目的成绩。
二、我县水源水质预防监测体系应对突发水污染事件的欠缺和不足
作为一个经济高速发展的现代化城市，我们应该看到，我县水源水质预防监测体系在应对突发水污染事件方面还存在欠缺与不足。
首先，从实验室检测能力来讲，我们的常规实验室检测手段和工作程序不能适应突发性污染应急检测的需要。从工作程序上来说，完成一套常规的实验室工作程序，包括采样、下达任务、实验室检测、数据汇总与分析，需要至少几天的周期，越是复杂性污染，需要分析的项目越多，所花的周期越长，很难适应应急监测的需要。其次，实验室检测能力和设备主要根据国家相关水质标准设置，而突发性污染应急检测注重的是快速检测能力、毒性物质的快速判断能力，包括机动监测设备，这方面的配备还有较大的欠缺。
其次，我县五一水库，是县城供水保障的生命线。然而，我县水源目前还主要依靠人工定期采样进行检测，检测周期较长，检验结果相对滞后，不能对突发水质污染作出及时反应。
城市供水和供水管网是一个非常复杂的系统，是安全供水中的关键环节。供水水质督查和月报促进了我县城县供水综合合格率的不断提高，但其手段仍然是传统的人工巡检和实验室监测，这种定时采样方法数据量小，且不连续，每月一次的检测频率不足以反映水质连续变化。目前我县供水水质在线监测系统还未建设，对水厂的管网水进行实时监测，可以补充了原有水质督查体系的不足，然而，如何将其整合到供水水质督查体系中高效运行，还需要一段时间的摸索和完善。
另外，目前的数据库和水质信息网络建设还相对滞后，每年的水质监测数据的共享和扩展性不强，导致水质信息利用的时效性较差，不同部门的实验室数据难以得到统一、高效的利用。
我县目前整体的水源水质污染应急预案尚不完善，这样会影响对急性污染的快速反应效率。应该尽快完善科学的水质管理平台，确立应急指挥调度系统，健全统筹运行机制，设置安全预警与防范系统，才能满足水污染突发事件的应急监测与高效处置的需要。
三、对策和建议
为了保障我县的供水安全，有必要对我县的水源水质预防监测体系从以下几个方面进行完善，构建反应敏捷、机动灵活、机制科学的水质预防、应急监测系统。
1.建立健全从水源地到供水末端全过程的饮用水安全监测体系，制定和完善应急供水预案。落实供水监测检测值班制度，扩大监测范围，增加重点监测断面和监测频次，建立定期会商机制。强化水厂处理措施，改善安全供水条件，防患于未然。
2.提高水质实验室的快速监测能力
应对突发性污染需要水质实验室建立特定的污染应急检测工作程序，根据不同的污染类型，如有机、无机、农药、石油类污染，制定针对的检测方案，包括现场勘查、采样程序、实验室检测项目的组合设置、检测结果反馈途径等，一旦污染发生则快速启动工作程序，做到应对突发污染高效、判断准确、跟踪及时。
另外，必须调整实验室能力结构，补充应急检测仪器。一方面，发展质谱等有机物、重金属污染的快速定性技术，另一方面，发展生物毒性监测技术、分子基因探测技术、ELISA等微生物快速鉴别技术，以便迅速确定污染物范围和种类。
3.加快在线监测系统的建设
针对水源和供水水质污染的应急监测要求，水质在线自动监测系统能连续、及时、准确地监测目标水域的水质变化，是突发性水质污染的有效监测手段。
对我县水源重点部位实行24小时连续监控是非常重要的，可以先选择五一水库取水口为试点，进行实验运行，获得背景参数，建立运行规程。其后，采取分批、分期的建设形式，推广应用于我县其他水源和取水口，设立覆盖全县的水源水质在线监测网络。
在线监测系统应首先选择体现水质污染的特征参数，例如，应用综合生物毒性在线分析技术，能直接、迅速地体现水样对生物体的综合毒性；应用水生生物预警系统效果直观而成本较低，可与水源在线水质参数监测配合预警水质污染。建议首先配备关键在线监测参数，并于在线监测仪器机柜预留足够的扩充空间和接口，以便后续逐步扩大监测指标范围。水质在线监测管理系统可以弥补传统人工巡检方式在即时性、全局性、连续性等方面的不足，做到对供水和管网水质的24 小时连续监测，提供早期报警信息，对管网水质变化作出迅速、正确的反应。目前我县的信息化水质监测有了一定的发展，但范围较小、基础还比较薄弱，为充分发挥该系统的作用，应加强监管，完善供水水质在线监测系统监管工作程序。同时，对监测参数进一步加强和扩展，以适应城市建设的发展和国家新的水质标准的要求。
4.提高水质监测的机动能力
突发性水质污染检测要求水质监测部门具有机动能力，移动监测车可以根据污染事故的监测需要，机动灵活地在野外现场完成水质采样、处理和分析、污染物的追查溯源、影响范围确定等，是应急监测的必要手段。配合应急反应监测的需要，水质监测车要注重车载应急监测仪器的配备，在面对微生物、重金属、有机物等不同的污染类型时，充分发挥其快速鉴别能力。同时，利用车载移动信息传输系统，将现场情况及时反馈中枢指挥部，实现应急监测的效率最大化。
关键词：水质自动监测，技术关键，分析仪器，可靠性
1、前言
实施水质自动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，达到及掌握主要流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况、排放达标情况等目的。
2、水质自动监测技术
2.1水质自动监测系统的构成
在水质自动监测系统网络中，中心站通过卫星和电话拨号两种通讯方式实现对子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，托管站也可以通过电话拨号方式实现对所托管子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，其他经授权的相关部门可通过电话拨号方式产现对相关子站的实时监视和数据传输或能。
每个子站是一个独立完整的水质自动监测系统，一般由6个主要子系统构成，包括：采样系统、预处理系统、监测仪器系统、PLC控制系统、数据采集、处理与传输子系统及远程数据管理中心、监测站房。目前，水质自动监测系统中的子站的构成方式大致有三种：
（1）由一台或多台小型的多参数水质自动分析仪（如：YS1公司和HYDROLAB公司的常规五参数分析仪）组成的子站（多台组合可用于测量不同水深的水质）。其特点是仪器可直接放于水中测量，系统构成灵活方便。
（2）固定式子站：为较传统的系统组成方式。其特点是监测项目的选择范围宽。
（3）流动式子站：一种为固定式子站仪器设备全部装于一辆拖车（监测小屋）上，可根据需要迁移场所，也可认为是半固定式子站。其特点是组成成本较高。论文发表。
各单元通过水样输送管路系统、信号传输系统、压缩空气输送管路系统、纯水输送管路系统实现相互联系。
一个可靠性很高的水质自动监测系统，必须同时具备4个要素：
（1） 高质量的系统设备；
（2） 完备的系统设计；
（3） 严格的施工管理；
（4） 负责的运行管理。论文发表。
2.2水质自动监测的技术关键
2.2.1采水单元
包括水泵、管路、供电及安装结构部分。在设计上必须对各种气候、地形、水位变化及水中泥沙等提出相应解决措施，能够自动连续地与整个系统同步工作，向系统提供可靠、有效水样。
2.2.2配水单元
包括水样预处理装置、自动清洗装置及辅助部分。配水单元直接向自动监测仪器供水，具有在线除泥沙和在线过滤，手动和自动管道反冲洗和除藻装置；其水质、水压和水量应满足自动监测仪器的需要。
2.2.3分析单元
由一系列水质自动分析和测量仪器组成，包括：水温、PH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳（TOC）、总氮、总磷、硝酸盐、磷酸盐、氰化物、氟化物、氯化物、酚类、油类、金属离子、水位计、流量/流量/流向计及自动采样器等组成。各主要在线自动分析仪器的发展现状将地第3节详述。
2.2.4控制单元
包括：
（1） 系统控制柜和系统控制软件；
（2） 数据采集、处理与存储及其应用软件；
（3） 线通讯和卫星通讯设备。
2.2.5子站站房及配套设施
包括：（1）站房主体； （2）配套设施
3、在线自动分析仪器的发展
3.1概述
水质自动监测仪器仍在发展之中，欧、美、日本、澳大利亚等国均有一些专业厂商生产。目前，经较成熟的常规项目有：水温、PH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氧化还原电位（ORP）、流速和水位等。常用的监测项目有：COD、高锰酸盐指数、TOC、氨氮、总氮、总磷。其他还有：氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、TOD、BOD、UV、油类、酚、叶绿素、金属离子（如六价铬）等。
目前的自动分析仪一般具有如下功能：自动量程转换，遥控、标准输出接口和数字显示，自动清洗（在清洗时具有数据锁定功能）、状态自检和报警功能（如：液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尺、高/低浓度、断电等），干运转和断电保护，来电自动恢复，COD、氨氮、TOC、总磷、总氮等仪器具有自动标定校正功能。
3.2常规五参数分析仪
常规五参数分析仪经常采用流通式多传感器测量池结构，无零点漂移，无需基线校正，具有一体化生物清洗及压缩空气清洗装置。如：英国ABB公司生产的EIL7976型多参数分析仪、法国Polymetron公司生产的常规五参数分析仪、澳大利亚GREENSPAN公司生产的Aqualab型多参数分析仪（包括常规五参数、氨氮、磷酸盐）。另一种类型（“4+1”型）常规五参数自动分析仪的代表是法国SERES公司生产的MP2000型多参数在线水质分析仪，其特点是仪器结构紧凑。
常规五参数的测量原理分别为： 水温为温度传感器法（PlatinumRTD）、PH为玻璃或锑电极法、DO为金-银膜电极法（Galvanic）、电导率为电极法（交流阻抗法）、浊度为光学法（透射原理或红外散射原理）。
3.3化学需氧量（COD）分析仪
COD在线自动分析仪的主要技术原理有六种：
（1） 重铬酸钾消解-光度测量法；
（2） 重铬酸钾消解-库仑滴定法；
（3） 重铬酸钾消解-氧化还原滴定法；
（4） UV计（254nm）；
（5） 氢氧基及臭氧（混和氧化剂）氧化-电化学测量法；
（6） 臭氧氧化-电化学测量法。
从原理上讲，方法（3）更接近国标方法，方法（2）也是推荐的统一方法。方法（1）在快速COD测定仪器上已经采用。方法（5）和方法（6）虽然不属于国标或推荐方法，但鉴于其所具有的运行可等特点，在实际应用中，只需将其分析结果与国标方法进行比对试验并进行适当的校正后，即可予以认可。但方法（4）用于表片水质COD，虽然在日本已得到较广泛的应用，但欧美各国尚未应用（未得到行政主客部门的认可），在我国尚需开展相关的研究。
从分析性能上讲，在线COD仪的测量范围一般在10（或30）~2000mg/l，因此，目前的在线COD仪仅能满足污染源在线自动监测的需要，难以应用于地表水的自动监测。另外，与采用电化学原理的仪器相比，采用消解-氧化还原滴定法、消解-光度法的仪器的分周期一般更长一些（10min~2h），前者一般为2~8min.
从仪器结构上讲，采用电化学原理或UV计的在线COD仪的一般比采用消解-氧化还原滴定法、消解-光度法的仪器结构简单，并且由于前者的进样及试剂加入系统简便（泵、管更少），所以不仅在操作上更方便，而且其运行可*性也更好。
从维护的难易程度上讲，由于消解-氧化还原滴定法、消解-光度法所采用的试剂种类较多，泵管系统较复杂，因此在试剂的更换以及泵管的更换维护方面较烦琐，维护周期比采用电化学原理的仪器要短，维护工作量大。
从对环境的影响方面讲，重铬酸钾消解-氧化还原滴定法（或光度法、或库仑滴定法）均有铬、汞的二次污染问题，废液需要特别的处理。而UV计法和电化学法（不包括库仑滴定法）则不存在此类问题。
3.4高锰酸盐指数分析仪
高锰酸盐指数在线自动分析仪的主要技术原理有三种：
（1） 高锰酸盐氧化-化学测量法；
（2） 高锰酸盐氧化-电流/电位滴定法；
（3） UV计法（与在线COD仪类似）。
从原理上讲，方法（1）和方法（2）并无本质的区别（只是终点指示方式的差异而已），在欧美和日本等国是法定方法，与我国的标准方法也是一致的。将方法（3）用于表征水质高锰酸盐指数的方法，在日本已得到较广泛的应用，但在我国尚未推广应用，也未得到行政主客部门的认可。
从分析性能上讲，目前的高锰酸盐指数在线自动分析仪已能够满足地表水在线自动监测的需要。另外，与彩和化学方法的仪器相比，采用氧化还原滴定法的仪器的分析周期一般更长一些（2h），前者一般为15~60min.
从仪器结构上讲，两种仪器的结构均比较复杂。
3.5总有机碳（TOC）分析仪
TOC自动分析仪在欧美、日本和澳大利亚等国的应用较广泛，其主要技术原理有四种：
（1）（催化）燃烧氧化-非分散红外光度法（NDIR法）；
（2）UV催化-过硫酸盐氧化-NDIR法；
（3）UV-过硫酸盐氧化-离子选择电极法（ISE）法；
（4） 加热-过硫酸盐氧化-NDIR法；
（5） UV-TOC分析计法。
从原理上讲，方示（1）更接近国标方法，但方法（2）~方法（4）在欧美等国也是法定方法。将方法（5）用于表征水质TOC，虽然在日本已得到较广泛的应用，但在欧美各国尚未得到行政主管部门的认可。
从分析性能上讲，目前的在线TOC仪完全能够满足污染源在线自动监测的需要，并且由于其检测限较低，应用于地表水的自动监测也是可行的。另外，在线TOC仪的分析周期一般较短（3~10min）。
从仪器结构上讲，除了增加无机碳去除单元外，各类在线TOC仪的结构一般比在线COD仪简单一些。
3.6氨氮和总氮分析仪
氨氮在线自动分析仪的技术原理主要有三种：
（1） 氨气敏电极电位法（PH电极法）；
（2） 分光光度法；
（3） 傅立叶变换光谱法。在线氨氮仪等需要连续和间断测量方式，在经过在线过滤装置后，水样测定值相对偏差较大。
总氮在线自动分仪的主要技术原理有两种：
（1） 过硫酸盐消解-光度法；
（2） 密闭燃烧氧化-化学发光分析法。
3.7磷酸盐和总磷分析仪
（反应性）磷酸盐自动分析仪主要的技术原理为光度法。总磷在线自动分析仪的主要技术原理有：
（1） 过硫酸盐消解-光度法；
（2） 紫外线照射-钼催化加热消解，FLA-光度法。
从原理上讲，过硫酸盐消解-光度法是在线总氮和总磷仪的主选方法，也是各国的法定方法。基于密闭燃烧氧化-化学发光分析法的在线总氮仪以及基于紫外线照射-钼催化加热消解，FIA-光度法的在线总磷仪主要局限于日本。前者是日本工业规格协会（JIS）认可的方法之一。
从分析性能上讲，目前的在线总氮、总磷仪已能满足污染源和地表水自动监测的需要，但灵敏度尚难以满足评价一类、二类地表水（标准值分别为0.04mg/l和0.02mg/l）水质的需要。论文发表。另外，采用化学发光法、FIA-光度法的仪器的分析周期一般更短一些（10~30min），前者一般为30~60min.
从仪器结构上讲，采用化不发光法或FIA-光度法的在线总氮、总磷仪的结构更简单一些。
3.8其他在线分析仪器
TOD自动分析仪：技术原理一般为燃烧氧化-电极法。
油类自动分析仪：技术原理一般为荧光光度法。
酚类自动分析仪：技术原理一般为比色法。
UV自动分析仪：技术原理为比色法（254nm）。具有简单、快捷、价格低的特点。不适于地表水的自动在线监测，国外一般是用于污染源的自动监测，并经常经换算表示成COD、TOC值。应用的前提条件是水质较稳定，在UV吸收信号与COD或TOC值之间有较确定的线性相关关系。
硝酸盐和氰化物自动分析仪：技术原理主要有：
（1） 离子选择电极法；
（2） 光度法。
氟化物和氯化物自动分析仪：技术原理一般为离子选择电极法。
主要参考文献：
1、李国刚，“化学需氧量（CODcr）水质在线自动监测仪”认定技术条件的诠释，《中国环保产业》第1～2期 NO.1.2 2002 总第42.43期
2、武万峰 徐立中徐鸿，水质自动监测技术综述，《水利水文自动化》2004年 第1期
3、王玉华 赵学民 周怀东， 水质自动监测技术及其应用分析，《水文》2004年 第3期
1.无线监测信息化战略的提出
当前，信息技术更新换代、日新月异，信息技术长信和基于信息技术的商务运作创新不断涌现，信息化对信息技术落后国家产生倒逼机制；信息融合型产业逐步壮大，信息产业在国民经济中占据重要地位；全球经济趋于一体化，我国面临着信息化挑战。在此背景下，有必要实现无线监测的信息化。
2.无线监测信息化的研究意义
无线通信技术的发展使无线监测系统成为可能。随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。无线监测系统比有线监测系统应用灵活，可移动性强，无需布线、将是今后监测系统发展的主要方向。在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。
3.无线监测信息化的内涵、特点
(1)无线监测信息化的内涵无线监测信息化是时展的必然趋势，是社会发展的内生需求。对信息化与无线监测技术融合的内涵的界定，不同学者有不同的表述，比较典型的有以下几种。经济学家周叔莲认为，“无线监测信息化，其内涵是在国民经济各个领域应用信息技术，在技术、产品、业务、市场等多个层次实行融合，是生产力、产业结构、经济结构、社会形态、生活方式全面剧烈转变的过程。杨海成认为，“无线监测信息化，是利用信息和信息技术，使之渗透到监控系统的相关要素中，使之能够形成支撑检测系统的新型工业装备。”个人认为无线监测信息化是一个多层次、多侧面、多内容的综合过程，其内涵可以从狭义和广义上来进行区分。狭义地看，主要是在监控领域中与信息化的融合，以及由此带来的社会性影响；广义地看，既包括了检测领域的融合，也包含了在国民经济中其他领域与信息化的融合，以及由此带来的深刻的政治、经济、社会的变迁。
(2)无线监测信息化的特点从本质上来看，就检测领域而言，往往含有信息化，信息化也往往应用在检测上，两者在部分领域合二为一。我们很难将信息技术从检测中剥离开来，离开了信息技术的无线监测技术，那也不是真正的与时俱进的监测技术了，而是落伍于时代的监测技术。无线监测信息化的本质，就是在我国当前的现代化进程中，采取监测与信息化“两步并一步”的策略，在监测过程中广泛、深入地采用信息技术、信息设备与信息产品，发挥信息化“助推器”、“倍增器”和“催化剂”的功能，促进融合型产业发展，使信息化与监控都得到快速、健康发展，从而促进经济、社会的快速发展，提升我国的国际竞争能力。
二.无线监测系统信息化的应用
1.水库、河道水情无线监控
水库、河道水情无线监控系统可以远程监测各水库及河道的的水位、降雨量和现场图像，为保障水库、河道的适度蓄水和安全度汛提供准确、及时的现场信息。以高州水库为例。高州水库位于高州市东北部，面积481（平均）平方公里，集水面积1002平方公里，库容量11.5亿立方米。30年间，水库虽进行控制运用，仍发挥了巨大效益：解决了高州、化州、电白、吴川、茂南四县一区118万亩干旱农田的自流灌溉用水，供给茂名市区工业和生活用水，减轻了鉴江中下游近百万亩的洪涝灾害，改善了鉴江中下游128公里河道的通航条件；利用坝后和渠道跌水发电，发展淡水养殖，四面青山适宜发展橡胶、胡椒、香蕉等热带亚热带作物。高州水库无线监测系统主要由现场检测设备、远程监测设备、通信平台和监测中心四部分组成。通过充分整合软、硬件设备资源，可对所监测水库实现全天候远程自动监测，可完整记录各水库数据的动态变化过程。其功能主要有：
(1)汛期的水库安全防卫工作：时刻注意水库的水位，如果水位到了警戒线，有了险情，马上报警。
(2)水库重点区域的防范：随时注意闸门、大坝的正常工作和稳固程度。
(3)水库水面情况的实时远端监控：水面上是否有漂浮物(如白色垃圾)、漂流物(如泄漏的原油)。
(4)水库水岸情况的实时远端监控：岸上的物体(如人、兽)是否进入危险区(如闸门口、大堤上)，是否有可疑的情况(如有人想要破坏水库)。
(5)能够随时检测水库中水的水质，并将信息传到远端，发现水质超标，马上报警。
(6)库天气情况的实时监控。
(7)远端控制中心与水库现场的语音通讯：遇到情况时能够做到远距离的指挥工作。
(8)可以在中控室直接对水库的闸门进行控制，进行水资源调配。
2.供水、供电无线监测
供水、供电部门的抄表系统是利用现代信息技术与流量计量技术相结合，集计量、数据采集、处理于一体，极大提高了管理部门的工作效率；供水部门的水厂管网压力流量监控系统提高了水网的监测安全及经济效益。以茂名市自来水公司为例，其主要有河东和河西两个供水处理中心，运用无线监测技术，实现大规模参数无线监控和控制，包括水厂泵房电流电压、工作状态、缺项报警、水质分析PH、浊度、余氯等、管道压力、出水流量等数据。满足中控调度室的实时需要，帮助调度人员的后期供水分析、中控调度、变频组合调压以及管网健康度分析等起到重要的辅助作用。提高管网的运行效率和水厂泵房的节能，避免人工操作的缺点，提高了整体经济效益目的。
3.桥梁监测无线桥梁监测系统
基于无线通信技术对桥梁荷载、环境、几何形状以及结构静动力等关键参数进行实时监测，及时掌握桥梁的结构状态，为桥梁健康状态评估提供科学依据。目前大型桥梁的无线健康监测已成为研究的热点，更被广泛地应用于未来技术的研发。
4.环境监测
传统原始数据采集方式较为困难，无线监测系统很好地解决了这一问题，为野外随机性研究数据的获取提供了方便。如：对污水排放，对森林资源进行监测，农作物的生长情况等检测。
5.军事安全
无线监测系统可以很好地应用于恶劣的战场环境中，提供监测敌军区域内的兵力和装备，监测核攻击等，及时准确将采集的各种信息传送到各级指挥部门监测中心。
三.结语
随着我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，综合生活用水量逐年增加，生活污水排放量不断增大。与此同时，随着工业化进程的加快，工业废水的排放量日益增多，乱倒生活废水、偷排工业废水，这些问题时刻影响着水质安全，现如今水质安全逐渐引起社会和政府的重视。
物联网是新一代信息技术的重要组成，是在互联网基础上的延伸，其将用户端扩展到物与物之间，实现了物与物、物与人、人与环境之间的信息传递交换。物联网系统通过各种传感设备获取信息，与互联网结合，形成巨大的网络进行传递，实现各信息的智能识别、定位、跟踪、监控和管理。将物联网应用于水质监测系统能实现水质数据的实时采集，还可以对水质进行智能分析，及时对水质做出评价，并将监测结果及时反馈到用户端，从而提高水质管理水平。物联网应用于水质监测领域，可推动环境信息化建设。
水质监测是管理供水安全与排水情况的基础。国外在城市污染源及江河流域的水质监测方面起步较早，美国在20世纪中叶就已建立自动水质监测系统，用以代替人工监测网络的工作。到了20世纪70年代，英国、日本、荷兰、德国等国都先后建立了水质污染连续监测系统。我国对水污染自动监测系统的研究始于20世纪80年代。我国从最初由人工对水质进行检测分析，发展到用水质监测的专业仪器进行水质监测，到如今实现了水质自动监测，做到及时反馈分析和预警。如今的在线监测不仅有物理、化学在线监测技术，还有生物监测技术，水质监测技术的不断发展，可保证水质监测的全面性和可靠性。相比传统检测手段存在监测周期长、监测点局限、数据采集速度慢等问题，采用物联网监测水质更能高效地反映水质结果。
二、 物联网在水质监测中的应用
通过水质监测物联网，监管部门可以从客户端清楚地看到各个监测点的水质情况。监测系统中还存在警报系统，一旦出现水质污染，系统将会将相关数据反馈给监管部门客户端，监管就能及时做出控制管理，因此水质监测物联网的应用在水质监管方面发挥了很大的作用。如今我国多个院校、科研机构、企业在水质监测方面采用物联网技术成效突出，已在多个地区实施应用。
1.无锡太湖运用物联网对太湖水环境质量进行监测
无锡太湖充分利用物联网等新一代信息技术，对太湖水环境质量进行监测，感知节点的传感器装有360度摄像头、6个精密探头、集成光学感知芯片，对应6种水质指标，可以立体呈现水体情况，结合陆上屏控及环境卫星遥感，形成太湖水域“三位一体”监测体系。以感知为先，传输为基，计算为要，管理为本，构建环境与社会全向互联的智慧型环保感知网络，率先实现环境监测监控的现代化和智能化，率先实现环保物联网技术的标准化和产业化。
2. 浙江富阳物联网管控平台在线监测水质
浙江富阳是浙江省率先建立农村生活污水智能管理监测的地区，将物联网技术应用于污水管理方面，一旦水质不达标，系统将会自动将信息传递给技术人员的用户端。富阳环保部门也能通过用户端查看各个监测点的视频和水质、水量等数据，一方面从视觉上观察水质，另一方面从实时传回的COD、BOD、氨氮、浊度、pH、总氮、总磷、金属离子等监测项目的数据对水质做出评价。如今富春江富阳段水质稳定保持在Ⅱ类水标准以上，富阳12个地表水监测断面及6个集中饮用水源地达标率为100%，全区境无劣Ⅴ类水。
3.浙大海滨研究院开展智慧水务
浙大研究院的“天津泰达智慧水务建设”在水环境的实时数据采集与可视化、大数据分析与优化决策、集群控制与智能调度等方面取得了丰硕成果，形成了世界领先的智慧水务技术产业模式。在管网模型和数据监控的地图上，只需点击管网上的任意一点，就能直观地看到这个点的材质、管径、压力、流量等信息，实现快捷管理。
三、物联网在水质监测应用方面存在的问题
1. 水质监测设备的局限性
物联网水质监测的检测设备主要依赖于国外进口的设备仪器，由于国内水质监测设备存在技术不成熟、性能稳定性不好、容易发生故障、检测的准确性和灵敏度都不高等问题，致使外国检测水质的仪器在国内更受欢迎。虽然国外监测设备质量存在优越性，但由于不同地区水质特点不同，一些设备在国内水质的监测方面也会存在误差，不能因地制宜地应用到监测中。
2.监测规范不统一
物联网检测手段与传统检测手段存在差异。例如，采用传统方法检测水中COD时应先将取得的水摇匀，再进行检测分析；但采用自动在线监测系统的检测仪检测的是将悬浮颗粒物过滤掉的水样，两组数据对应的水体性质存在本质上的差异，且在线监测技术发展更新得快，因此应对采用自动检测手段监测出的水质标准规范及时更新。
3. 信息透明度不高
物联网在水质监测的客户端一般只是监管部门，而不熟悉该事物的群众只能从新闻等渠道间接获取信息，监管不能很好地展开，致使一些企业存在偷排污水的侥幸行为。因此，让用户获取水质信息，开放大多数部分监测结果是有必要的，这有利于强化公众的参与和社会监督意识，提高群众对水质的信任度。
四、对策
为应对上述提出的几点问题，提出以下几点对策：第一，提高国内科研发展水平，加大研发力度，重点培养引进研究环境监测方面的高技术人才，开发出符合国内水质特点的技术设备；第二，相关部门要建立自动在线监测各检测项目的标准，并随着技术仪器的更新及时做出调整；第三，政府应将实时监测数据直接向社会公布，出现水质问题时，政府应及时对污染企业进行现场监督检查并作出处罚，公布相应的处罚结果和处理后的水质信息，有助于全社会的监督管理，做到公开透明，也有助于政府各部门信息的共享和相应措施的实施。
将物联网技术应用于水质监测为水环境监测提供了很好的发展方向，我国在利用物联网技术监测水质方面的应用已经产生较好效应，但仍存在一些问题。物联网在水质监测的应用是一个长期投入的^程，其对水质的改善也是潜移默化的，但效果也将是有目共睹的，加大物联网在水环境方面的应用对优化水环境有极其深远的意义。
参考文献：
[1]张 珏.基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[2]杨宏伟，吴挺峰，张维易，等.基于物联网技术的太湖蓝藻水华预警平台[J].计算机应用，2011，31（10）：2841-2843.
关键词：城市供水 水质监控信息系统
1. 项目背景与意义
江苏经济发达，同时也是全国水污染承载量最大的地区之一，加之地处江淮尾闾，上游客水污染、本地城镇化工业化快速发展带来的工业污染、生活污染、农业面源污染交织，全省集中式饮用水源地原水水质不容乐观。近年来因水源突发污染影响的供水安全事故日增，水源突发性污染已严重威胁城市供水安全，直接影响到人民群众的身体健康和社会稳定。因此，江苏省住房城乡建设厅从2008年底开始研究建立水质在线监测平台，动态监控供水水质情况和变化趋势，保障城市供水安全。
2. 总体技术架构
江苏省城市供水安全动态监控系统建设采用分布式应用设计理念，共享省级主管部门和供水企业数据采集与监视控制系统、实验室信息管理系统、视频监控系统等已建系统的软件、硬件和网络资源，构建省、市、县（市、区）一体化监控平台。省级硬件平台采用虚拟化技术，整合已有硬件和网络资源，形成可灵活配置扩展的基础设施虚拟资源池。按照统一数据标准和交换标准，形成水质信息、供水企业基础信息、GIS信息、视频信息等数据资源层，在此基础上，构建省、市、县一体化应用系统。
3. 功能实现和关键技术研究
3.1核心功能
水质监控：实现全省城市供水企业实验室水质检测数据和太湖流域城市供水企业在线水质检测数据从源头到龙头的全流程监测监控。包括水源水日报11项、出厂水日报11项、管网水半月报6项、水源水月报29项、出厂水月报42项、管网末梢水月报42项、出厂水半年报106项实验室水质检测数据和11项在线水质检测数据。
水质异常分析：通过应用滑动平均算法和自回归滑动平均模型，对水质异常情况进行分析，实现自动筛选可疑数据，并提供人工干预，对可疑数据进行处理，排除脉冲噪声、设备故障等外在因素干扰，提升水质安全预警预报的准确性。
水质预警预报：通过与国家水质标准自动比对和水质异常分析，实现水质指标异常报警和所属流域下游供水企业的预警预报，并与手机等移动终端联动报警，基于GIS地图整合报警供水企业的地理位置、水质指标、取水口视频、企业基础信息等图文和视频数据，为提高城市供水安全预警和应急处置能力提供技术支撑。
水质趋势分析：通过同期水质指标比对、上下游水质指标比对、实验室人工检测指标和水质检测设备自动检测指标比对等综合水质数据分析，实现对水质变化趋势的预测预判，为建立污染源扩散、水质变化趋势等模型提供理论基础，为水质预警、科学决策等提供技术支撑。
水质报告：基于系统中的数据，实现全省供水能力、全省深度处理规模、全省重点流域水质超标情况、太湖水质报告等各类可定制统计报表和水质报告的自动生成，提升主管部门信息化管理水平和效能。
水质共享：通过建立城市供水水质信息共享平台，实现重点流域上下游水质信息共享，为有效防范流域性水源污染所引发的供水危机提供技术支撑。同时，与全国城市供水信息系统实现数据对接和共享。
视频监控：通过在太湖流域重点水源地设立视频监控点，实现对无锡、苏州等8个市、区供水企业取水口进行实时视频监控，并利用移动侦测等视频识别技术，对过往船舶等异常情况进行预警预报。
3.2关键技术研究
3.2.1江苏省城市供水数据标准编制
由于系统需要整合省级主管部门和供水企业SCADA、LIMS、视频监控等已有硬件、网络和系统资源，为解决全省城市供水企业异构系统之间数据采集和交换问题，研究编制《江苏省城市供水基础数据与水质数据信息规范》，包括供水企业、水源地、取水口、供水基础设施、处理工艺、安全保障等基础数据和实验室水质检测数据、在线水质检测数据信息规范，供水企业、水质指标编码规则，数据交换接口规范等，为建立水质数据共享平台奠定基础。
3.2.2数据模型在水质检测及预警中的应用
在对实际水质检测数据分析过程中，发现存在工艺操作、设备故障、脉冲噪声等较多误报现象，为实现快速准确预警，需进一步完善水质异常检测及预警方法。本系统采用基于信息处理的数据分析方法，包括滑动平均算法：
和自回归滑动平均模型：
结合GIS、Flex（Web应用框架）等技术，对水质监控信息进行多维动态分析，分析研究水质在不同时间序列的数据中所隐含的变化规律，初筛并处理可疑数据，实现对复杂多变的水环境进行较为准确的异常检测和预报预警。
3.2.3数据采集、传输与网络安全保障
供水企业中控系统部署在内部局域网，涉及到生产、调度、应急等重要信息系统，为实现从企业中控系统中采集在线水质检测数据，同时确保数据采集过程中企业内网的安全，在供水企业部署前置系统，通过前置服务器、物理隔离设备、防火墙，将企业内网与互联网物理隔离，在前置服务器与省级服务器之间通过VPN设备建立虚拟专网，实现数据专网加密传输。
4. 项目应用和效益
系统投入正式运行以来，应用面已覆盖全省13个市级主管部门、77家自来水公司、143座水厂，其中实验室水质检测数据监控已实现全覆盖，在线水质检测数据监控已实现太湖流域全覆盖。2014年，全省供水企业实验室水质检测数据中的水源水日报和出厂水日报年均上报率达98.33%和99.78%，其中太湖流域实验室水质数据上报率和在线水质数据监控率均达到100%。截至2014年底，系统已形成包括50多万条实验室水质检测数据、240多万条在线水质检测数据的水质数据库，为江苏省城市供水年度发展报告、太湖水质报告的编制和城市供水安全预警预报、水质模型分析、科学决策提供了强有力的数据支撑。
5. 总结与展望
系统建成以来，对提升城市供水主管部门监管水平，保障城市供水安全发挥了重要作用。下阶段，逐步扩大在线水质检测数据监控的应用范围，将系统在太湖流域的应用模式在长江、淮河等其他流域推广应用，实现全省城市供水在线水质监控全覆盖。积极探索与环保、海事、水利等部门研究建立水源水质监测信息、水源地危化品船舶信息、水文监测信息等数据共享平台，制定应急处理预案，构建跨部门、跨领域的预警监控和应急处理体系，共同为江苏省水资源保护，让百姓喝上优质安全饮用水，提供更科学有效的信息化监管手段。
参考文献：
[1] 生态文明建设与可持续发展. 人民出版社，2011.
关键词：自来水厂；在线监测；PLC；经济效益
0 引言
近年来，我国水源地污染日益严重是城市供水行业面临的主要问题，这增加了城市自来水厂供水处理难度。我国城市供水行业以提高供水质量、改善供水服务、优化供水成本和保障供水安全为总体目标，因此部分水厂原有的混凝、沉淀、过滤、消毒等常规净水处理工艺都面临升级改造的需要，要对水厂水处理系统做出整体的生产效能评价，使其在水质达标的前提下尽量节省能耗控制生产运行成本。
水质在线监测在原有老工艺基础上建立了自动监测系统，及时反映水厂各环节水质变化，在尽量减少投资成本、节省能耗、控制生产运行成本的同时，更好的指导生产。本文设计的水处理在线监测系统，可用于水处理的各个环节，目前该系统已应用于秦皇岛市自来水有限公司海港水厂，优化了水厂水处理方案，提高了经济效益。
1 在线监测系统组成
目前，在线监测比较成熟的常规监测项目有：水温、PH值、溶解氧、电导率、浊度、COD、TOC、氨氮等等。对于水厂来说，由于资金有限、选择浊度进行监测。
浊度表示溶于水中的物质及悬浮于水中物质对光线透过时所发生的阻碍程度。它的标准单位是1升蒸馏水中含1毫克二氧化硅，叫做1毫克/升（NTU）的浑浊度。浊度是生活饮用水和某些生产用水的重要指标之一，国家的《生活饮用水卫生标准》要求饮用水浊度不能超过1。
水厂资金有限，无法在工艺的各个环节安装浊度仪，考虑到对生产的指导意义，先在四阀车间和虹吸车间监测经过过滤后的水质浊度（NTU）。四阀车间有六组滤池，但仅有一台浊度仪，为每组滤池安装一条采样管，浊度仪安装在下方，利用重力作用让采样水自动流到仪器中，在每条采样管上安装自动和手动阀门，可以按钮操作控制采样哪一组滤池；虹吸车间有三组滤池，也共用一台浊度仪，利用采样泵抽取滤后水沿着采样管为浊度仪供水，用按钮操作控制采样哪一组滤池。然后，陆续又在水厂原水及出厂水处安装浊度仪。水厂原水来自两个水源地：石河水库、桃林口水库。原水进入水厂后，要经过蓄水池，水会在蓄水池中存储2～3小时候才进入沉淀池，考虑到原水浊度对加药量的指导意义，把浊度仪安装在沉淀池进水口，水厂有平流、斜板两个沉淀池，每个沉淀池进水处各安装一台浊度仪。出厂水浊度仪安装在供水泵房，泵房有六台清水泵，需要在每台泵的出水口各安装一台浊度仪，考虑到资金问题，共用一台浊度仪，手动操作取水。
2 系统控制方案
2.1 系统硬件设计
水厂在线监测系统采用上位机结合下位机PLC的方案。PLC实质上也是一台计算机，其硬件结构基本上与我们常用的微机相同，即由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入输出（I/O）模块、外设I/O接口、电源等组成。各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。它是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、控制功能强、灵活通用、易于编程、使用维护方便及体积小、功耗低等特点，十分适合用于在线监测系统的控制。
水厂在线监测系统下位机PLC为西门子PLC200系列：1台CPU226型控制器，1个EM231模拟量输入模块，1个CP243-1以太网模块。水厂监控仪表使用哈希系列仪器，为PLC200提供一个4～20mA的电流，经过处理后，传输到上位机。系统硬件设备还包括1套PC/PPI电缆，3台SC200型控制器，3台1720E浊度仪，2台SS7浊度仪。
为了避免数据由于距离而引起衰减，PLC200系列装置放在了虹吸车间距浊度仪很近的位置。由于上位机要放在办公楼，距虹吸车间有300多米的距离，普通屏蔽电缆无法保证远距离数据传输的准确性，水厂在这段距离上铺设了光纤，保证了数据实时准确传输。
2.2 系统软件设计
本系统采用模拟量模块现场采集仪表输出电流，通过STEP 7-Micro WIN编制程序，根据水厂实际设置地量程浊度仪上限为20NTU，高量程浊度仪上限为1000NTU。
监测系统上位机采用Wincc设计监测画面，包括主画面、历史曲线画面，主画面直观动态地显示现场浊度。
3 成果分析
3.1 对生产指导意义
从历史曲线看过滤效果，以四阀车间为例，反冲后，滤后水浊度由0.4NTU到1NTU用时11小时。若监测曲线突然发生变化，即图中梯度迅速增大时，说明滤池滤速变慢，过滤效果变差。需首先考虑沉后水是否发生变化，原水水质是否恶化，然后判断滤池是否出现故障。
根据历史曲线调整反冲水操作时间，以四阀车间为例。反冲后，浊度偏高，此时需打开初滤水阀门（出水阀门处于关闭状态），根据曲线，当浊度降到1NTU时，关闭初滤水阀门，打开出水阀门，以防止反冲后高浊水进入清水池，影响出厂水水质。
从监测历史曲线分析水质变化与反冲周期，根据变化周期对四阀车间进行反冲洗，在春秋冬三季时，水厂四阀滤池基本保持这种滤速运行，当夏季水质变差时，滤池的工作周期会更短。
3.2 经济效益
自2013年水质在线监测系统投入使用，至2015年底，在来水相对稳定的情况下，各项生产指标均有降低，药耗由8.97降到了3.14，节约三氯化铁318.74公斤，每吨三氯化铁1200元，节约资金38万元。原水利用率由97.06%提高到98%，约自用水量636.0381千立方米，原水水价每吨0.79元，节约资金50万元，共节约资金88万元。
关键词:无线传感器网络监测系统节点以太网智能控制
中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
0引言
水资源监测是水资源管理与保护的重要手段,我国水资源紧缺、水污染严重,如何高效、实时地获取水环境参数、研究开发水环境监测新方法,已成为水环境管理与保护的一项重要任务。现有的水环境监测方法主要分为两种: (1)人工定期(或不定期)的现场采样、化验、水质分析;(2)采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的水环境监测系统。这两种传统的监测方法存在着对原有生态环境影响大、数据采集点少、监测范围有限、系统价格昂贵、设备体积大、需预先铺设电缆等缺点。
无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统,是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。本文根据无线传感器网络的基本理论和水资源监测的实际需求 ,提出了基于无线传感器网络的水资源实时自动监测方法,设计了一个能够在线实时测量温度、 PH值、 电导率、浊度等参数的水资源监测系统 ,此系统在监测区域内采集相关数据 ,利用监测区域协调器节点和远程监测中心( PC 机)之间的通信 ,把经过处理的测量结果存储在监测中心内 ,并动态地显示出来。
1系统总体设计
如图1所示,基于无线传感器网络的水资源实时自动监测系统主要由三部分组成,:WSN监测区域、以太网通信组件和远程监测中心。
监测区域主要负责通过各种传感器对水资源的各种参数进行监测, 包括温度、 PH值、 电导率、浊度、 TOC、 COD 等基本参数,并且对这些基本参数数据进行存储和简单处理
后,按照设定的时间和通讯方式上传到远程监测中心。监测区域内包括分布式传感器节点、路由节点和协调器节点三种类型的节点。协调器就是汇集节点,既要发起和配置无线网络,又要与信息中心交互数据。路由器安放在协调器与传感器节点之间,既要监测环境参量,又要作为中继平台支持终端设备与协调器之间的通信。传感器节点是依靠电池供电的微小节点,它们自身携带传感器,负责采集周围的环境信息,并定时向汇聚节点上传数据。
远程监测中心由PC 机及运行在PC机上的监测软件组成。通过运行在PC机上的监测软件,操作人员可以直观、清晰地看到每个网络节点的位置分布和状态信息。利用计算机的高速计算能力和海量存储能力还可以对每个监测点数据进行实时处理并建立后备数据库,便于日后进行深入分析。
远程监测中心与无线传感器网络之间通过以太网传输数据,解决了传统 RS232 信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点,能够大大提高数据通信的可靠性、 安全性和保密性。
2系统硬件设计
考虑到便于灵活安装、对节点要求低功耗、体积小等,本系统硬件的核心芯片选用了飞思卡尔公司的集单片机及无线通信模块于一身的芯片 MCl3213。该芯片集成了低功耗的2.4GHz RF收发器和8位微控制器,具有60KB的闪存。 RF收发器工作在2.4GHz ISM频段,和802.15.4标准兼容,包括低噪音放大器、1mW的RF输出功率、带VCO的功率放大器(PA)、集成的发送/接收开关、板内的电源稳压器以及完全的扩展频谱的编码和译码。。微控制器是基于HCS08系列微控制器单元(MCU),具有高达60KB的闪存和4KB的RAM。
2.1传感器节点
传感器节点模块主要是通过各种传感器对水质参数进行采样 ,然后经过信号调理电路是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理 ,以使其更加适合 A/ D 转换 ,便于单片机运算处理。如图2所示,传感器节点主要由微控制器芯片 MCl3213 及其电路组成,电源管理部分的任务是使节点在进行数据采集及控制时处于工作状态, 否则处于低功耗休眠模式, 以便节电。
2.2协调器节点
协调器节点部分的构成如图 3 所示。 它主要由微控制器 MCl3213 及其电路、 RS-232 串口通信芯片 SP3222 以及电源和电路组成 。协调器节点中 MCl3213 的主要功能是接收传感器节点发送过来的数据或向传感器节点发送命令,通过串口 RS-232与远程监测中心计算机通信进行数据传输,SP3222 是标准的 RS-232 串口转换芯片, 休眠时维持电流可低至 1A 保证整个系统的低功耗要求。
2.3以太网通信
远程监测中心与无线传感器网络之间使用以太网通信技术,以解决传统RS232 信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点,同时也解决了电磁干扰、地环干扰以及雷击和电压浪涌的问题,可以大大提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性。
ADAM- 4579 是一款通用串行设备服务器,它能够将 RS- 232/422/485网络与以太网合为一体,几乎可以将任何带有串口的设备快速连接到以太网和共享网络,能够使大量无法连接网络的设备具备远程管理及数据访问的特有功能。ADAM- 4579 允许串行设备与其它设备之间进行点对点的通信, 而无须任何主机及软件编程, 还可以通过 RS- 232/422/485 或以太网请求数据或发送命令,数据可以双向发送, 非常适合于远程监控的应用。
2.4远程监测中心
远程监测中心由监测模块、配置模块、数据库3个部分组成。它通过以太网与多个协调器节点间接连接在一起,监测模块通过对通信串口的实时监控测,实现对分布式协调器节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的协调器节点实现对传感器节点的间接、 实时性的监控和数据采集。
控制中心站服务器为配置较高的PC服务器, 安装了专用的无线传感器网络和水质监测数据处理软件, 负责上传数据的存储和分析, 并设置了相应的服务, 其它联网的客户机可以浏览监控各水质监测站的监测数据和工作状态
3系统软件设计
基于无线传感器网络的分布式监测系统软件包括 3 个部分:远程监测中心计算机软件、协调器节点软件和传感器节点软件。远程监测中心计算机软件包括人机界面、系统数据库、数据处理、故障报警、串口通信管理等模块,负责整个监控系统的运行、管理、人机交互等任务。协调器软件主要包括串口通信管理、无线网络管理、无线数据通信等模块,负责无线网络的管理和数据信息的交换。传感器节点软件包括无线数据通信、 数据采集和处理、 驱动控制等模块,负责信息的采集和处理等工作。协调器和传感器节点软件在无线传感器网络通信设置及传感器信号采集时均是使用开发板自带的开发套件 CodeWarrior Software Development Tools 开发,该套件包括各种高性能的 ZigBee 软件工具,如网络通信设置器,协议调试工具等。
3.1传感器节点程序
传感器节点负责监测现场水质 ,并进行数据处理和通信。其软件部分主要包括监测模块数据采集程序和网络通信程序。一个传感器节点的程序流程图如图4所示。
3.2协调器节点程序
TI公司推出的 Z2stack 是完全开源的C语言协议栈 ,具有很好的可移植性和很好的程序可读性。Z 2Stack 采用操作系统的思想来构建 ,采用事件轮循机制,当各层初始化之后 ,系统进入低功耗模式;当事件发生时 ,唤醒系统并进入中断处理事件 ,结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生 ,判断其优先级 ,逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。这部分的软件主要包括设备初始化、 协调器组网、 节点加入网络、 无线数据收发和处理等程序。
3.3远程监测中心软件
远程监测中心计算机软件包括人机界面、系统数据库、数据处理、故障报警、串口通信管理等模块,负责整个监控系统的运行、管理、人机交互等任务。本软件在 Windows 操作系统上,使用面向对象的编程语言在 VC++6.0 环境下开发而成,网络节点数据采用 Access2003 数据库开发管理程序进行统一管理。 用户可通过软件界面查看无线传感器网络的拓扑结构、 路由路径、 节点位置、 生命状态等信息,也可以查看每个节点监测的环境参量的实时数据和历史数据曲线图等信息,并且能够设置监测数据的报警阈值和数据图形的显示方式。
4结语
随着国家对于环保的重视力度的不断加大,水质监测目前的市场规模大约每年两到三亿,而依据国家的有关政策来预测,未来5年,这个市场会激增到约100亿的规模。本文提出的基于无线传感器网络的水资源实时监测系统,能够最大限度的减小系统的复杂性、降低成本,实现水资源环境的实时、自动监测。
参考文献
[1] 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络,清华大学出版社,2005.
[2] 金大建,马志刚,严定平等.水质自动监测系统的研制,环境科学,2002,20(8):12～15.
[3] 王先平.水污染控制工程中的水质参数在线监测,环境与开发,1999,14(2):20～26 .
[4] 蒋鹏,孔一凡.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究,传感器学报,2007,1.
作者简介: 史洪宇(1979―),女,汉族,河南南阳,讲师,硕士,研究方向:智能控制理论与应用、无线传感技术。
>> 水质重金属在线自动监测仪的研发 基于C8051F060单片机的AT24C1024芯片应用 重金属在线监测仪产品设计研究 便携式重金属测定仪PDV6000 plus在水质应急监测中的应用 水质VOC监测仪的研究 基于ARM和μC/OS-Ⅱ的在线磷酸根离子监测仪设计 浅析锅炉烟气在线监测仪的应用 水质多参数监测仪在某水库水质监测中的应用 安捷伦科技携手合作伙伴引领水中重金属在线监测技术的发展 重金属的光芒 重金属的优雅 基于C8051F020单片机的机床数控系统的研制 基于C8051F330单片机的交流单相在线式UPS设计 重金属检测技术在环境水质分析中的应用研究 浅谈重金属检测技术在环境水质分析中的应用 基于C8051F410的智能家居环境监测系统设计 浅谈化学需氧量水质在线监测仪器常见问题的处理 水质在线监测仪器维护与质控方法的研究 城市自来水公司水质在线监测仪表警告线设立的研究 基于单片机的电力监测仪的研制 常见问题解答 当前所在位置：
关键词：重金属在线检测；C8051F060；恒电位仪；BDD电极
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.008
引言
随着工业的发展，重金属对水质的污染越来越严重，微量的重金属就可以使人体产生中毒和其它危害症状，实时在线监测水质重金属的含量成为当务之急。光谱、质谱、中子活化、分光光度等几种方法在连续监测及现场测定方面受到很大限制，电化学伏安法[1]得到的是直接可以测量的电信号，仪器设备简单，易于实现自动化。以电化学分析方法作为测试方法，开发研制低成本、高精度、实时在线连续监测的仪器是环境监测发展的必然趋势。
水质重金属监测仪结构及工作原理
水质重金属自动监测仪包括简单信号发生器、恒电位仪[2]、弱电流采集处理部分、三电极体系、单片机系统及外扩部分、泵阀的控制部分、上位机及人机界面，整体结构图如图1所示。该检测仪中的函数信号发生器输出的电压通过恒电位仪加载到三电极系统，使工作电极（WE）的电压精确保持在需要的电压上，采集对电极（CE）与工作电极（WE）回路产生的微弱电流信号，并记录过程中的伏安曲线，并通过上下位机记录存储处理数据。根据电化学溶出伏安法，曲线中峰电流的大小在一定条件下与被测离子的浓度成正比，峰电位与被测离子的种类特性有关，从而定性定量地分析出重金属离子的种类和浓度[3]。
简单函数信号发生器的设计
函数信号发生器有几种实现方法，可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，但是功能较少，精度不高，调节方式不够灵活，也可以利用专用直接数字合成DDS芯片[5]的函数发生器，能够产生任意波形，但成本较高。
为了给恒电位仪提供多种类、易实现的电压信号，设计了一种简单可行、精度高、成本低的简单函数信号发生器。该系统利用C8051F060单片机的I/O口模拟SPI通信口来控制16位高精度数模转换芯片DAC8831[6]，DAC根据预先输入的D/A控制字将数字信号转换成模拟电压信号，结合外部运放可以实现单极性（0～VREF）和双极性（-VREF～+VREF）两种输出模式，恒电位仪中使用有正负两种极性的电压，故采用双极性输出。
恒电位仪设计
恒电位仪就是维持参比电极与工作电极之间的电位差恒定的电子设备。把工作电极接虚地，可以防止寄生信号的干扰，从而提高了电路中电流和电压的稳定度和精度。这样恒电位仪就变成了保证参比电极没有电流流过的前提下，把参比电位加到比较器的反向输入端，在运放的同向输入端加控制电压作为基准电位，运放的输出端接对电极形成电压闭环负反馈调节系统。反向输入端的电位随同向输入端的电位变化而变化，因此同向输入端电压恒定时，电极中电流变化时，参比电极电位相对于工作电极电位任何微小变化均将为电路的电压负反馈所纠正，从而达到自动恒定的目的[7]。
弱电流采集处理
检测仪的软件设计
检测时序
检测仪上下位机通过Modbus协议[10]进行通讯，完成仪器检测整个过程。时序流程图如图4所示。
提高检测仪的检测能力
通过软件的编写控制DAC芯片产生不同的电压扫描波形[11]：线性、差分脉冲等波形[12]，为了提高仪器检测重金属离子的检出限，采用差分脉冲电压扫描方式消除背景电流的影响，提高监测仪在检测低浓度重金属溶液的能力，差分脉冲波形如图5所示。
在Keil软件中编制差分脉冲扫描部分软件如下：
void scan（uint dac_begin，uint dac_ end，uint speed，uint step，uint dac_basic）
{
adcnum0=0；
控制精度测试
通过调整电压数字量来改变模拟输出电压值，使用Thurlby 1905a对系统电压Vout输出端进行检测，预设电压与实测电压数据对比如表1所示。
由表1分析可知，系统Vout输出电压可以实现-4.096V～+4.096V连续变化，且实际误差小于等于0.2%，分辨率也可达到1mV，完全满足恒电位仪中高速扫描对线性度、稳定度及分辨率的要求。
测试实验结果
在0.1mol/L的盐酸电解质下，测试不同浓度的重金属铅离子溶液响应的伏安曲线和线性度如图6所示。
由检测结果可知，设计的重金属监测仪测试的重金属铅离子溶液时有明显的伏安曲线响应，检测浓度可以达到0.2ppm，实现了低浓度水质重金属的电化学方法检测。
结论
通过实验结果数据得知，自行设计的基于C8051F060的重金属检测仪实现了实时自动在线、价格低廉、检测速度快、检出限低等特点，在国内研究实时自动在线的水质重金属检测仪领域开辟了新路径。
参考文献：
[1] 彭图治.电化学分析[M].北京：化学工业出版社，2009
[2] 付静.水环境重金属监测的电化学传感器研究[J].传感技术学报，2008，21，（001）：26-34
[3] 贾铮，戴长松.电化学测量方法[M].北京：化学工业出版社，2006-08
[4] 潘琢金译.C8051F060混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[Z].2004，12
[5] 高泽溪，高成.直接数字频率合成器（DDS）及其性能分析[J].北京航空航天大学学报，1998，24，（005）：615-618
[6] http：//.cn
[7] HAFEMAN D， PARCE J. Light-addressable potentiometric sensor for biochemical systems[J].1998.
[8] 史健芳.智能仪器设计基础[M].北京：电子工业出版社，2007-09
[9] 刘君华.智能传感器系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005
【关键词】电力系统；输电线路；监测控制
随着社会经济的不断发展，从国家到各级地方对电力系统的规模和技术水平都有了一个更高的要求，与之配套的是建立健全电力检测系统，以便更好的检测电力系统的输电线路运行情况。例如动态增容监测、施工弧垂观测、防雷监测等相关设施都要确保完好无损的处在运行状态，切实做好每个环节的检测监控工作，也只有这样才可以确保整个电力系统网络的安全运行。
1 电力系统中对输电线路监测及检查的意义
由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统称为电力系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。
电网事业的飞速进步带动了电力行业的发展，输电线路实行监测和检修也是非常必要的，这将是电力行业实现科技化、现代的化必经之路。在线、远程监控技术的应用、多功能仪器设备的应用都将不断推动电力行业向前发展。监测和检查工作不能盲目、草率、必须有经过严格培训的专业人员来操作，它也能够实现减员增效的效果。电力系统的安全畅通运行也能够节省电力企业不必要的维修费用，整个系统的良好运行也是保证人民、国家生命、财产安全的重要手段，必将带动企业的经济效益和社会效益。输电线路由于具有布局范围大、电力需求多样、线路距离长等特点，一旦受到大风、冰雪、暴雨、冰雹等恶劣天气的影响，或者是山洪、地震、山体滑坡等严重自然灾害的影响，线路很可能受损甚至中断，影响着电力系统的运行和安全状态。这就要求电力工作者实时监测线路运行状况，发现问题时在第一时间全面的检修输电线路，尽快恢复电力运行。
2 输电线路的监测
2.1 输电线路动态增容的监测
在我国，经济和文化发达地区的用电量明显高于其它地区，用电高峰期的用电限制问题非常严重，很多电力系统的输电线路都存在着电力输送容量受限制的制约。在酷暑严寒等高温、低温气象条件下，输电线路的导线极易发生损坏，此次，必须要建立动态增容检测系统，根据数学中的建模计算出导线的最大电容量，对输电线路的温度，张力以及环境温度、湿度、气压、风速等进行严密的监测，必须建立一套完整的输电线路动态增容监测系统。
输电线路动态增容监测包括气象监测、导线温度监测和导线拉力监测等。气象监测是通过实时监测运行中电力系统输电线路的天气条件和气象环境。如光照、风速、雨雪、阴晴、是否发生冰雹等状态。所有的气象监测设备和高压的输电线路没有直接的接触，削弱了监测设备受高压影响的程度。需要注意的是，每隔一段时间都要对风速计量仪表进行校准，因为整个气象监测系统非常容易受到风速计量仪表精确度的干扰。导线温度监测是利用导线的热导方程和温度测量设备测得的基础数据进行计算，得到最大载流量。监测好操作、计算简便。需要引起注意的是随着线路距离的拉开，导线与风向的夹角会有较大的变化。导线拉力是利用高压导线之间加载的拉力测量仪器，能够在较短时间内测出导线的水平拉力。可以通过拉力方程计算出导线的温度，拉力监测优点就是能够测得整体的环境温度，减少了气象监测位置的数量布置，需要注意的是拉力传感器必须在输电线路空载的条件下才能进行安装。
2.2 输电线路的施工弧垂观测
弧垂是指输电线路悬挂曲线内的任意一点到两个支撑悬挂物间的距离，架空的输电线路架设是利用杆塔等支撑物将导线悬挂在支撑物之间，时间长了悬挂点间就容易松弛，出线弧垂现象。电力工程师不论是在施工还是系统运行中都会遇到监测弧垂的问题。
输电线路弧垂的监测方法主要有两种：等长法和角度法。等长法主要是把弧垂板绑定在观测档的第2基杆上，绑定顺序是先绑比较高的杆塔，后绑低处的，观测原理是三点一线原理。观察者站立的位置应该在弧垂板与观察杆塔在同一个面上。这样做既能避免虚光现象，又能增加观测准确度。角度法是指确定好观测杆塔后，查出观测点杆塔行将要观测的挂线横担高度定义为h1，测量仪测得得天顶角90°时，测量仪器高度定义为h2，横担至滑轮槽高度定义为h3，根据公式a=h1-h2-h3，计算出仪器到滑轮槽的高度a，来提高监测的准确性。
3 输电线路的检查要点
3.1 输电线路的检修模式
科学的输电线路检修模式是变线为点，输电线路的检修要求检修人员熟练掌握电力知识，懂得在线和离线检修方式。输电线路检修原则为首先要选择好交通方便便于维修的线路，选择质量优异，售后保障好的检测设备；其次，要考虑一旦整个电力系统跳闸后对系统运行安全影响相对较小的输电线路；再次，要选择绝缘端子老化率小于3‰，且绝缘爬距满足国家电力行业标准的线路。
（1）绝缘子检测有在线、离线检测，具体分为分布电压和零值电阻检测。检测周期为：连续4年为2‰～3‰的老化率的，每两年一次；连续4年在2‰以内的老化率的，每4年一次，不能超过5次；（2）跨越物监测要根据巡视线路状态及时修正被跨越物地点、位置、与电力和通讯线的交叉角、距离；（3）雷电监测：认真分析雷电系统显示的基础数据，如雷密度、雷电日、时间、电流强度等；（4）导地线和金具监测：采用，红外线监测导地线、连接金具的温度值；（5）杆塔监测：监测内容包括杆塔倾斜度、挠曲度、砼杆裂纹、铁件腐蚀、杆塔和拉盘基础位移值、基础冲刷情况等。输电线路的检修工作复杂而突变，专业人员一定要耐心检修，不能放过丝毫漏洞，确保电力系统的顺畅、安全运行。
3.2 架空输电线路的检修
线路检修完全按照国家和地方的相关规范来执行，定期检查、维护。主要规范有：（1）《设备状态检修管理规定（试行）》；（2）《输变电设备风险评估导则（试行）》；（3）《输变电设备状态检修辅助决策系统建设技术原则（试行）》；（4）《输变电设备状态检修工作验收细则》；（5）《输变电设备状态检修试验规程》；（6）《输变电设备在线监测系统管理规范》；（7）《输变电设备状态检修绩效评估标准》；（8）《输变电设备在线监测系统技术导则》。
绝缘检修主要是缘子瓷质端子的清洁，据国家相关监测污染区域的划分标准，Ⅱ级以上污区设备可以免除清扫，环境清洁度达标，减少了绝缘端子检修的工作量。0—I级污区35 kV设备检修要配合2.4cm/kV，Ⅲ级的66 kV设备配合2.1cm/kV；Ⅲ级以上的污区：110kV～220kV绝缘检修配备为1.78cm/kV。此外的电气连接检修一般是通过红外监测技术辅助，金属检测一般还是通过专业的人工定期巡视、排查来完成的。
3.3 输电线路的防雷监测
我国输电线路的防雷监测技术已经达到了领先水平，主要是对外电源的改善和避雷装置的选择。可以采用更换电路中的零值瓷瓶，在保证对地距离足够的条件下对所有的杆塔增添绝缘子，这样可以明显改善输电线路中的绝缘即接地水平。早前电力行业一般用瓷制外套的避雷器，易爆炸，重量大，施工不方便，碎片影响绝缘端子的接地性能。现在技术的发达引领了避雷器装置的进步，国内外都选用了硅胶制作的避雷器，既安全又实用。安装前要做好交接试验、带电试验等。
4 电力系统中输电线路施工的质量控制
输电线路施工一般有如下几个步骤：（1）施工方案、计划的确定、审批；（2）施工技术资料的编制、交底；（3）挂绝缘端子；（4）放导引绳；（5）放线；（6）紧线；（7）附件安装。每个步骤都要经过质检员的严密检查合格后方可进行施工的下一个步骤。质检部门要建立质量检查报告、质量周报、月报及月质量趋势图，及时记录监测和检查中发现的问题，并汇报项目管理者，然后由管理者尽快指派人员修复问题。项目管理者还要在项目立项时明确项目需求，避免需求的不必要变更，严格控制项目质量。同时，在项目初期要制定进度计划和质量保证计划，项目的执行参考制定好的计划。施工人员一定要有专业的电工证才能上岗，上岗后要经过严格的实践培训，才能让其进行动手操作，检修过程中要强调电力安全意识和自我保护意识，防止意外发生。总之，输电线路的质量控制要从质量管理者的管理、质量检查者的严密督查、施工队伍的综合素质等多个角度抓起。
5 结论
现代工业、农业、科技、经济的不断腾飞，带来了电力行业的迅猛发展，人们对电力的需求是愈来愈多。这就要求电力工作人员更加细致的对输电线路要严密监测，及时检查、维修，确保整个电力系统的正常运转。
参考文献：
[1]王政，叶志琼.工业与民用配电施工质量验收与质量控制手册[M].中国电力出版社，2009.
