Real Time Water Quality Monitoring Technology 即時水質監測技術

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摘要

本文提出了一種低成本、即時的水質監測系統，可應用於偏遠的河流、湖泊、沿海地區和其他水體。該系統的主要硬件包括現成的電化學敢測器、微控制器、無線通信系統和客製化的浮標。它在預編程的時間間隔內檢測水溫、溶解氧和 pH 值。開發的原型透過客製化的基於網路的門戶和預先註冊的行動電話，以圖形和表格格式傳播收集到的資訊，以更好地為相關最終使用者服務。為了檢查系統的有效性，對浮標在惡劣環境條件下的穩定性、系統能耗、數據傳輸效率和基於網路的資訊顯示進行了仔細評估。

介紹

如今，水被認為是地球上最稀缺的自然資源之一[ 1 ]。它對人類、動物和植物都很重要 [ 2]。根據水的品質，它可能是生命和健康的源泉，也可能是疾病和死亡的源泉。近年來，由於發展、人口成長和氣候變化，帶來的日益嚴重的環境退化增加了研究人員研究其對環境的負面影響，特別是對水源及其影響的需求。海洋、湖泊和河流中日益嚴重的水污染，觸發了全球需要更先進的環境監測系統方法，特別是在水質監測領域。此外，像菲律賓這樣的發展中國家，依賴於傳統的水樣採集和水分析方法。由於缺乏技術訣竅和大量的初始投資，

這種無線感測器網路（WSN），適用於以較低的成本監測偏遠地區的物理和化學水特性，並減少人力需求[ 3 ]。它可用於水質監測 [ 4 ]，具有許多優點，如便攜性 [ 5 ] 和近即時數據採集和數據記錄能力 [ 6 ]。它在從環保主義者 [ 7 ] 到嵌入式系統社區 [ 8 ]的研究社區中廣受歡迎。然而，與陸基 WSN 應用相比，WSN 在水域的應用更具挑戰性[ 9]，因為它的電子元件對水甚至濕氣的侵入是零容忍的。

基於 WSN 的環境監測應用已在水質監測 [ 4、10、11、12 ]、水化學監測 [ 8 ] 、水動力性能監測 [ 9 ]、灌溉 [ 13 ] 和農業 [ 14 ]等應用中實施]。在過去幾年的應用中，其他研究集中在傳輸、電力收集和管理以及環境適應性的增強上。徐等人。[ 15] 指出，以前的感測器網路佈署，主要集中在室內環境和仿真研究上，因此限制了它的利用和應用，尤其是在實際應用中。

另一方面，溶解氧 (DO)、pH 和溫度被認為是最常見的水質參數 [ 16 ]，並被確定為可用於確定某一特定環境的實際物理化學狀態的重要水參數之一。水域 [ 17 ]。可以透過測量 pH [ 18 ] 來測量某個位置的水的鹼性或酸性程度，這使得 pH 成為最重要的水質指標之一。pH 參數難以準確測量，因為它處理非常少量的離子濃度，因此需要一個靈敏的感測裝置對其進行檢測 [ 19]。溫度是水質最常見的物理評估，因為這些參數會影響其他參數，如水生植物的光合作用、這些生物對污染、寄生蟲和疾病的敏感性 [ 20 ]。DO 是評估水質的一個重要參數，因為它對生活在水體中的生物有影響 [ 21 ]。DO 水準過高或過低，都會損害水生生物並影響水質 [ 22 ]。

因此，本研究將特別涵蓋使用 WSN 技術的大型水域監測，重點關注 DO、pH 和溫度作為水質指標。此外，全球行動通信系統 (GSM) 將用於以與 Tseng 等人使用的相同方法，將感測數據從接收節點傳輸到基地台。[ 23 ]。我們的目標是開發水質監測系統佈署，以便為沒有水質實驗室的偏遠地區，提供可行的解決方案。它的主要優勢將是即時監控的能力。我們的目標是佈署一個可重複、可擴展、可長期獨立運行、可應用於偏遠地區的系統。

材料和方法

為了設計用於本研究的水質監測系統，本節討論了所使用的感測器和系統設計。

感測器

可用性、可負擔性和與基於 Arduino 的架構的相容性，是選擇 Atlas Scientific 品牌水質感測器的主要原因。Atlas Scientific 是一家美國公司，擁有多年製造高性能水質感測器的經驗，這些感測器廣泛用於科學項目[ 24、25、26 ] 。溫度、pH 和 DO 感測器（電極）使用它們各自的接口電路連接到微控制器。

系統設計

該系統的設計和實施以監測水質（DO、溫度和 pH 值）為主要目標，考慮到該系統： 1）適用於大型水域； 2）可以在即時場景中測量和儲存資訊在數據庫中[ 27]; 3) 有一個機制系統，可以即時向系統的管理者或當局和用戶發出通知。該系統最重要的功能是確保從感測器收集的數據，反映實際的水生場景，並將數據作為網路上的資訊顯示或作為簡訊服務（SMS）發送到預即時辨識關鍵用戶。這是為了提供一個平台，允許快速資訊傳播和快速客製化適當和即時的反應。例如，當透過 SMS 即時報告到達關鍵用戶時，該用戶可以立即辨識監測水質參數值的突然變化，從而可以給他們足夠的時間來實施可能的活動，以盡量減少（如果不能消除）風險和損害。

因此，該系統目的在提供以下功能：1）數據收集和儲存[ 28 ]；2) 數據傳播和展示（圖表、圖表和數據表）[ 29 , 30 ]；3) 更長測量週期的電源管理[ 31 ]；4) 管理員維護界面。該系統的概況如圖 1所示。

軟體配置

圖 2系統將自動關閉，並等待 30 分鐘的時間間隔以節省能源。如果感測器達到所需的 30 分鐘時間間隔，則單獨的定時器電路將喚醒感測器。循環將繼續進行，直到完成所需的任務。

管理員可以在緊急情況下更改 30 分鐘間隔，或者需要使用管理員介面，從伺服器透過 SMS 命令收集 30 分鐘間隔之間的數據。這有助於使用二次電池的能量為感測器和接收節點節省能量，從而延長感測器的使用壽命，並降低電池更換的維護成本。

在伺服器端，它具有用戶友好的介面，可即時更新 DO、溫度和 pH 值的感測值。它提供圖表，便於監控覆蓋區域的異常情況。它還可以提供用於研究目的的數據表和 pdf 文件。3 個參數的即時值，也將使用 SMS 發送到一些相關人員的預定義手機號碼。這將為響應 3 個參數的突然變化提供提前時間，如果不立即響應，這可能是災難性的。

無線通信

來自感測器節點的感測數據，被無線中繼到接收節點或直接中繼到伺服器。在本研究中，現成的無線發射器和接收器模組，與 GSM 模組一起用於長距離通信，ZigBee 協議用於集群（短距離）或節點到節點通信。 ZigBee 基於 IEEE 802.15.4 標準，在 10 到 100 m 的距離內可以達到 250 kbps 的數據速率。低功耗是選擇 Zigbee 而不是其他短距離通信系統協議的主要原因，這是本研究的主要關注點。該研究僅使用最簡單的 ZigBee 設置（伺服器節點到接收節點），以減少安裝和操作複雜性。來自 Arduino 的 GSM 模組（Antenova-GSM Shield 2）帶有整合天線，用於接收節點無線連接到基地台伺服器或發送/接收 SMS。它將透過研究區域內當地電信公司 (TelCos) 基礎設施的現有 GSM 網路將數據傳輸到伺服器。這也將有助於將 SMS 消息發送到預定義的電話號碼。

感測器節點

感測器節點從電極收集和預處理數據，並將數據發送到匯節點，使其成為水質監測系統 (WQMS) 原型的主要建構塊。板上的感測器節點是商用電極、微控制器、Zigbee 收發器和電源。在這個原型中，使用了三個用於測量溫度、pH 和溶解氧的感測器來提供水質的一般特性，但如果需要，可以根據感測器的數量進行放大。

射頻 (RF) 收發器將水質參數（pH、DO 和溫度）值、時間和日期，傳輸到匯節點或直接傳輸到基地台。使用 Atlas Scientific 提供的校準解決方案對感測器進行校準，以確保結果水質參數值的正確操作和準確性。Arduino Mega 2560 微控制器，是一個基於靈活、易於使用的硬體和軟體的開源電子原型設計平台，用於採集和預處理收集的數據。緊湊型儲存卡用作所有收集數據的備份儲存。它使用電池為節點內的感測器和其他電子設備供電。圖 3（右圖）顯示了感測器節點的硬體架構。

匯節點

Sink 節點基本上是一個感測器節點，具有使用 GSM 模組遠距離發送數據的能力，如圖 3所示（左圖）。為了節省長時間運行的能量，sink 節點總是設置在睡眠模式，同時等待執行預編程的活動，如數據收集、從感測器節點接收數據、向基地台發送數據和接受來自的命令管理員。安裝完整的電子元件後，Sink 節點可以獨立運行，可以佈署在偏遠或偏遠地區。它由與感測器節點相同的電池供電，但由於 GSM 模組的高功耗要求，必須使用太陽能作為能量收集器。GSM 模組和太陽能電池板的存在，是接收器和感測器節點在實體外觀和操作方面的主要區別。

數據儲存和可視化

該系統目的在以三種可能的方式儲存數據： a) 在預先分配的手機號碼中用於短期數據儲存；b) 在容納數據庫和控制中心的基地台中，以及 c) 使用板載安全數位 (SD) 卡內存模組，該模組用作所有單個感測器單元的備份儲存。所有數據都將在基地台進行整理。在傳輸失敗或沒有 GSM 信號地台情況下，可以從板載 SD 儲存模組中提取數據。SD 卡上收集的數據按日期排列，便於檢索，可以 excel 格式打開。在基地台，所有數據及其時間戳都儲存在基於多線程、多用戶 MySQL 伺服器格式的數據庫中。水質參數值中添加了日期和時間，便於查詢和顯示在網路上。

浮標和能源系統

與陸地或非水生應用相比，用於水質應用的 WSN 的設計、實施和佈署帶來了額外的問題。這是因為水分和水對電子元件的影響，因此漂浮或浮標在本研究中具有相關重要性。浮標由直徑為 750 厘米、高約 250 厘米的橡膠管組成。管的側面用薄鋁包裹，以防止堅硬或尖銳的漂浮物。電子設備和電池位於浮標頂部的 15 × 15 × 10 厘米尺寸的防水盒中。

能源是 WQMS 需要考慮的一個重要問題，為位於偏遠地區的感測器節點供電的唯一可行方法是使用電池。該系統採用 6 V/3.5 安時 (Ah) 鉛酸電池為節點供電。這種電池具有更長的壽命和出色的長期和自放電率。能量收集系統由浮標頂部的一塊 10 W 太陽能電池板組成，也可作為附加保護。它不斷為電池充電以保存其能量，以進行持續監控。

結果和討論

施工安裝

為了成功建造和安裝適用於大面積的水質監測系統，需要考慮浮標穩定性 [ 32 ]、能源和管理 [ 33 ]、使用射頻收發器進行數據傳輸 [ 34 ] ，以及感測器靈敏度和耐用性等重要因素。

如圖4 所示，為了將電子材料和組件固定在浮標內，需要浮標穩定性。透過浮標安裝在現場的 WQMS 經歷了環境的突然變化（從平靜到暴風雨天氣），因此該系統的設計即使在不利的大氣條件下也具有穩定性。使用了水封、保護漆和防水膠合板。一個輪子的內部用一塊普通的薄板作為側蓋作為漂浮材料。此外，還引入了錨固系統和對浮動機構的保護，以抵禦開放區域的惡劣天氣。在估計風速為 95 km h − 1的熱帶氣旋發生期間，在公海測試了浮標穩定性. 經過 24 小時的降雨和強風，浮標仍保持原位，未發現重大損壞。

WQMS 主要部署在偏遠和難以到達的地區，並且要長時間運行，因此更換感測器電池的成本很高。此外，由於在長距離無線通信系統中使用 GSM 模組，它具有很高的能耗。為了解決更換電池所產生的成本問題，該項目選擇了大容量電池，實施了能源管理系統，並安裝了使用太陽能係統的能量收集系統。一種電源管理系統，其中系統在空閒時間（無活動）期間處於關閉狀態，而僅在數據收集和傳輸期間處於開啟狀態，顯著增加了電池的壽命。此外，它還實現了可充電電池，以便可能整合收集能源系統。該研究採用 6 V/3.5 Ah 鉛酸電池。

使用射頻進行數據傳輸會極大地影響系統的可靠性。數據的缺失、添加或差異可能會對數據完整性和整個系統的有效性產生不利影響。此外，為了利用監控系統的所有重要數據，數據傳輸必須高度可靠。考慮使用無天線 GSM 和 Xbee 收發器模組，來解決海水的腐蝕性問題和河水中的水分。

用作感測器靈敏度的電極，及其堅固性對於可靠的 WQMS 起著重要作用。感測器輸出的微小變化，將改變感測數據的值，以及對該區域重要 WQMS 參數的感知。這方面的一個例子是 pH 值，其中非常少量的信號，必須被電化學感測器檢測和讀取，作為工作電極和參比電極之間非常少量的電勢差。這個非常小的信號將被轉發到微控制器進行進一步處理。任何錯誤或小的變化都會被放大（在接口電路中），從而影響感測數據的值。為了獲得可靠的讀數，選擇了 Atlas Scientific 的頂級「現成」電極，並使用 Horiba 品牌的多參數測試儀進行嚴格的測試和校準。

評估和實際測試結果

該系統佈署在兩條小溪中，為期兩週，以驗證浮標的穩定性和有效性、能源和儲存，並驗證無線通信系統的效率。在本次測試中，感測器節點與匯節點之間的距離設置為50 m，同時將另一個匯節點放置在另一條較遠的小溪中，以測試和驗證匯節點的單機性能。因此，系統能夠使用具有實時時鐘的待機模式應用，透過其預編程的 30 分鐘持續時間來執行數據感測。感測數據透過 XBee 收發器發送到匯節點，匯節點匯總來自感測器節點的數據及其自身數據。這些數據集以 SMS 的形式發送到基地台，進行數據庫化並轉換為適當的格式，以便於數據顯示和使用（圖 2-3）。 5和6 )。一些預先確定的手機號碼將接收相同的數據，並且相同的值將儲存在 SD 卡上。發送數據後，儲存器返回睡眠模式以節省電池能量，形成系統的另一個循環。開啟狀態下的電流消耗約為 550 mA，而在睡眠模式下則降至 15 mA。此外，太陽能電池板在運行期間表現良好，提供了足夠的能量，並在晴天達到了 6 V 的最大充電量。在太陽能電池板的幫助下，透過對用於數據感測和傳輸的微控制器進行適當的編程，接收節點（帶有太陽能電池板）可以持續數月的不間斷運行。

可以在網站上查看圖形和表格形式的數據，如圖 6所示。這可以為管理層和利益相關者提供足夠的時間來採取行動，以防止與水質參數監測值顯著增加或減少相關的事故。此外，這可以促進更多的問責制和透明度，因為收集的數據可供所有利益相關者使用。

感測器效率評估

還透過將其觀測數據值，與商用多參數水質檢查器 Horiba® 探頭的數據值進行比較，評估了感測器對 DO、pH 和溫度的效率。這是透過在選定的採樣點進行同時測量來完成的。

我們在這裡展示了表 1的表格讀數，這些讀數來自開發的原型和 Horiba® 感測器，以確定感測器的效率。水採樣結果顯示出良好的結果，因為它為兩個數據集、開發原型的讀數和 Horiba® Water Checker 的讀數產生了良好的線性圖 R 2值。

表 1 傳感器範圍和響應時間

全尺寸表

我們可以在圖 7中觀察到，與 R 2 值分別為 0.9731 和 0.9746 的 pH 和溫度感測器相比，DO 的感測器讀數產生了更好的 R 2值 0.9792。從表2 中也可以看出，開發的 DO 感測器與 Horiba® Water Checker，檢測到的 DO 值的平均差異為 0.006。而對於 pH 值，觀察到開發的 pH 感測器與使用 Horiba® Water Checker 之間的差異為 0.18。

表 2 使用開發的原型和 Horiba® 感測器獲得的值比較

全尺寸表

挑戰和建議

一些先進國家一直在使用即時 WQMS 來監測其環境和水資源，例如美國地質調查局和歐洲水資源創新夥伴關係。對於發展中國家來說，大多數即時 WQMS 活動都處於起步階段或試驗階段。結合實際實施帶來的經驗，以下是遇到的一些挑戰，以及對未來可能擴增即時 WQMS 的建議：單個即器和整個系統的可靠性和穩定性；能源及其管理以支持長期佈署；成本和負擔能力。

溫度的不斷變化和水的侵入等天氣條件，可能會影響電子元件的某些功能，因此在整個系統的設計階段考慮它是非常重要的。一個精心設計的可容納所有電子元件的浮標可能是解決這一問題的方法之一。此外，使用無天線收發器也可能是避免天線暴露於水和強風負載的一個考慮因素。

能源問題可以透過設計能源管理和利用高容量電池來解決。鋰離子電池的容量是鉛酸電池的 4 倍，電池壽命週期數高。太陽能收集系統已被證明是一種有效的能量收集機制，其快速充電能力非常適合具有高充電率特性和能力的鋰離子電池。

成本和可負擔性是在發展中國家，廣泛實施自動化 WQMS 的主要問題之一。這種不熟悉的技術的成本計算具有誤導性，特別是在很少進行或根本不需要水質監測的地方。必須透過政府機構、有關私營實體和研究團體來改變和糾正這種觀念，因為必須定期有效地進行水質監測。水質監測的標准採樣頻率/間隔和方法，將突出人工監測的更高成本（實驗室設備成本、高技能人員的工資和運輸成本）相對於成本更低的自動化，並可能改變對成本和進行自動監控的好處。

結論

本研究開發了一種適用於大範圍覆蓋的低成本水質監測系統。它的適用性歸因於其長時間的操作、靈活性和可重複性。它利用市售的電化學感測器準確監測水質參數，並使用 WSN 和 GSM 技術在網路上顯示結果。這些感測器與標準實驗室設置和 Horiba® 手持式多功能測試儀一起進行了測試，結果產生了高品質的結果。它可以透過網路顯示即時結果，從而提供有關覆蓋區域水質真實情況的足夠資訊。

正在使用自動水面車輛擴大該系統的覆蓋範圍，以覆蓋湖泊和其他水體等大面積區域，這些區域由於其對人類和自然的重要性而需要持續監測。鋰離子電池作為能源的利用和重金屬離子作為感興趣的參數的添加也被考慮用於擴展研究。