Real Time Water Quality Monitoring Technology

即時水質監測技術

摘要

隨著通信技術的進步，用於水質監測的智慧解決方案，變得越來越重要。本文詳細介紹了智慧水質監測領域近期開展的工作。此外，還提出了一種基於物聯網技術的高效、簡單的管道內水質監測解決方案。開發的模式用於測試水樣，並對透過網路上傳的數據進行分析。當水質參數與預定義的一組標準值存在偏差時，該系統還會向遠端用戶發出警報。

背景

由於污染物來源過多，其中大部分是人為的，因此確保水的安全是一項挑戰。造成水質問題的主要原因，是對自然資源的過度開發。工業化的快速步伐和對農業成長的更加重視，再加上最新進展、農業化肥和執法不力，在很大程度上導致了水污染。由於降雨分佈不均勻，問題有時會加劇。個人做法在確定水質方面，也發揮著重要作用（中央地下水局，2017 年）。

水質受點源和非點源污染的影響，包括污水排放、工業排放、農田徑流和城市徑流。水污染的其他來源，包括洪水和乾旱，以及由於用戶缺乏認識和教育。用戶參與維護水質並考慮衛生、環境衛生、儲存和處置等其他方面的需要，是保持水資源品質的關鍵要素。

水質差會傳播疾病、導致死亡並阻礙社會經濟進步。全世界約有 500 萬人死於水傳播疾病（印度水資源資訊系統，2017 年）。農民使用的肥料和殺蟲劑，可以被雨水沖刷到土壤中，最終流入河流。工業廢品也被沖入河流和湖泊。此類污染物進入食物鏈並累積直至達到毒性水準，最終導致鳥類、魚類和哺乳動物死亡。化工廠也在水中處理廢物。工廠使用來自河流的水來驅動機器或冷卻機器。提高水溫會降低溶解氧的水準，並破壞水中的生命平衡（中央地下水局，2017）。所有上述因素使水質監測必不可少。

水質監測被定義為在固定位置和定期收集資訊，以提供可用於定義當前條件、確定趨勢等的數據（Niel 等人，2016 年；Muinul 等人，2014 年）；建華等人，2015 年）。在線水質監測的主要目標，包括測量關鍵水質參數，例如微生物、物理和化學特性，以辨識參數偏差並提供危害的預警辨識。此外，監控系統還可以對收集到的數據，進行即時分析，並提出適當的補救措施。

本文的目的是雙重的。一是從應用、使用的通信技術、採用的感測器類型等方面，對智慧水質監測領域，最近開展的工作進行詳細調查。二是提出一種低成本、不太複雜的智慧水質監測系統，使用帶有內置 Wi-Fi 模組的控制器，來監測 pH、濁度和電導率等參數。該系統還包括一個警報設施，以通知用戶水質參數的偏差。

相關工作

圖1 顯示了本節中考慮的智慧在線上監控解決方案的通用構建塊。

確定的三個主要子系統包括

數據管理子系統，包括訪問數據儲存，並將其顯示給最終用戶的應用程序。
數據傳輸子系統由無線通信設備，以及內置安全功能組成，可將數據從控制器傳輸到雲數據儲存。
數據採集子系統由多參數感測器和可選的無線通信設備組成，將感測器資訊傳輸到控制器。控制器收集數據，處理相同的數據。

感測器構成框圖的最底部。有多個感測器可用於監測水質參數。這些感測器放置在待測水中，可以是儲存水或自來水。感測器將物理參數轉換為等效的可測量電量，透過可選的無線通信設備，將其作為輸入提供給控制器。控制器的主要功能是從感測器讀取數據，有選擇地對其進行處理，並透過使用適當的通信技術，將其發送到應用 APP。通信技術和監測參數的選擇，取決於應用的需要。應用包括基於監控參數的數據管理功能、數據分析和警報系統。

應用

如表1所示，在線上智慧水質已在文獻中提出用於多種應用。

表1 智慧水質監測應用

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生活用水供人類飲用和烹飪。印度標準局（中央地下水局，2017 年）提供了有關鋁、氨、鐵、鋅等物質可接受限度的詳細資訊。傳統的水質測量，涉及在不同地點手動收集水，將樣本儲存在集中位置並對樣品進行實驗室分析測試（Thinagaran 等人，2015 年；Vinod 和 Sushama，2016 年；Pandian 和 Mala，2015 年；Azedine 等人，2000 年；Offiong 等人，2014 年）。由於無法獲得即時水質資訊、污染物的延遲檢測，以及不具有成本效益的解決方案，此類方法不被認為是有效的。因此，在 (Vijayakumar & Ramya, 2015 ; Niel et al., 2016 ; Theofanis et al., 2014 ; Bhatt & Patoliya, 2016 ; Poonam et al., 2016 ; Xin et al ., 2016 ., 2011；Xiuli 等人，2011 年；Sathish 等人，2016 年）。

智慧水質方法，已被考慮用於湖泊和海水應用。對於此類應用，分佈式無線感測器網路，需要在更大範圍內監測參數，並使用無線通信將監測，到的數據發送到集中控制器。此類應用通常監控參數，例如葉綠素（Francesco 等人，2015 年）、溶解氧濃度（Christie 等人，2014 年；Anthony 等人，2014 年）和溫度（Peng 等人，2009 年；Francesco 等人，2015 年）2015 年；克里斯蒂等人，2014 年）。

水產養殖中心需要對水生生物的健康生長，進行水質監測和預測（Goib 等，2015；Gerson 等，2012；Xiuna 等，2010）。在（Gerson 等人，2012 年）中，作者使用 Arduino 微控制器開發了生物感測器，以監測由於水生污染引起的動物行為變化。動物的異常行為，可被視為水污染的跡象。在 (Xiuna et al., 2010) 作者提出了一種智慧水質監測系統，可以使用人工神經網路來預測水質。在孤立的局域網中，進行了為期 22 個月的廣泛測試，數據已使用 CDMA 技術傳輸到網路。

在分佈式無線感測器網路 (WSN) 的管理環境中，配水系統中的水質監測具有挑戰性。用於監測氯濃度的配水網路已在（Eliades 等人，2014 年）中介紹。太陽能分佈式 WSN 已在 (Ruan & Tang, 2011 ) 中提出，用於監測 pH、濁度和氧密度等參數。使用由啟用太陽能電池的感測器節點和基地台組成的架構，可以即時監控不同地點的水。靈活性、低碳排放和低功耗，是本文提出的方法的優點。在 (Mitar et al., 2016 ) 中，提出了一種用於水和空氣品質測量的組合系統) 使用額外的感測器，來測量空氣溫度和相對濕度。

監控參數

根據美國環境保護署 (USEPA) 進行的廣泛實驗評估，得出的結論是，所使用的化學和生物污染物，對監測的許多水參數有影響，包括濁度 (TU)、氧化還原電位 (ORP)、電導率 (EC) ) 和 pH 值。因此，透過監測和檢測水質參數的變化，推斷水質是可行的（Theofanis et al., 2014）。

為監測水參數而開展的工作的詳細清單見表2。在調查水質時，水的 pH 值是最重要的因素之一，因為它衡量水的鹼性或酸性。pH 值為 11 或更高的水會刺激眼睛、皮膚和粘膜。酸性水（pH 值 4 及以下）也會因其腐蝕作用而引起刺激（Niel 等人，2016）。溶解氧 (DO) 的測量對於水產養殖中心很重要，因為該參數決定了一個物種，是否可以在所述水源中生存。ORP是一種物質能夠氧化，或還原另一種物質的程度的量度。ORP 使用 ORP 計以毫伏 (mv) 為單位進行測量。自來水和瓶裝水的 ORP 值為正。濁度是指水中懸浮顆粒的濃度。電導率表示水中的雜質含量，水越乾淨，其導電性越低。在許多情況下，電導率還與總溶解固體 (TDS) 直接相關。

表 2 監測的參數

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使用的通訊技術

無線技術用於感測器與控制器之間，以及控制器與數據雲儲存之間的通信，如圖1所示。在每個通信場景中，都使用了不同的技術。表3顯示了用於資訊傳輸的常用無線通信技術。

表 3 使用的無線通信技術

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感測器和控制器之間的通信

感測器直接使用 UART 協議，或遠端使用 Zigbee 協議連接到控制器。ZigBee 是一種無線網路中的數據傳輸技術。它具有低能耗，專為多通道控制系統、報警系統和照明控製而設計。ZigBee 建立在 IEEE 標準 802.15.4 中，為低速率 WPAN 定義的物理層和媒體訪問控制之上。在智慧水質系統中，當感測器放置在遠離控制器的遠端位置時，Zigbee 協議用於感測器節點和控制器之間的通信。對於管道內的家庭監控，感測器和控制器直接連接是首選。

在（Tomoaki 等人，2016 年）中，作者開發了一個用於水質監測的 WSN 系統。感測器使用 UART 連接到傳輸模組。與感測器節點外部的通信，是透過使用 3G 型動網路的 Internet 連接來執行的。(Theofanis et al., 2014 ) 中的作者，提出了一種水質監測系統，用於在線監測和評估水質。感測器節點安裝在消費者站點供水的管道中。

控制器和數據儲存之間的通信

控制器和集中式數據儲存之間的通信，使用遠端通信標準（例如 3G 和 Internet）進行。以前的一些工作，目的在以簡訊的形式，提醒用戶有關水質的資訊。此類系統 (Peng et al., 2009 ; Xin et al., 2011 ; Liang, 2014 ; Wei et al., 2012 ) 需要額外的 SIM 卡，用於與控制器連接的 GPRS 模組。這種系統的缺點是 SIM 卡操作的額外成本。此外，在用戶場所也不可能進行大量數據儲存和檢索。最近，支持物聯網的解決方案變得越來越重要。作者 (Alessio et al., 2016) 提供有關物聯網和雲計算可能的廣泛應用的調查。

物聯網是最近的一種通信範式，日常生活中的物體都配備了微控制器、收發器以進行數位通信，這將使物體與彼此和用戶進行通信，從而成為網路不可或缺的一部分（Bushra & Mubashir，2016 年）；Biljana 等人，2017 年；Andrea 等人，2014 年）。在 (Vijayakumar & Ramya, 2015 ; Thinagaran et al., 2015 ; Mitar et al., 2016 ) 中，外部 Wi-Fi 模組連接到控制器，這使控制器能夠連接到最近的 Wi-Fi 熱點，隨後到雲端網路。

使用的控制器

不同的控制器已在文獻中，用於智慧水質監測，如表4 中所列。雖然每個控制器都有自己的顯著特點，但文獻中使用的大多數控制器，都與外部 GPRS / Wi-Fi 模組一起工作，以連接到數據儲存或應用。

表 4 使用的控制器

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本文提出的模式使用 TI CC3200，這是一個內置 Wi-Fi 模組，和專用 ARM MCU 的控制器，用於無線通信。與帶有外部 Wi-Fi 模組的控制器相比，TI CC3200 降低了複雜性，並提高了操作速度（德州儀器 CC3200 Simple Link，2017 年）。表7中提供了文獻中，用於智慧水質監測的各種微控制器和嵌入式板的比較。

使用的感測器

有幾種組器可用於水質監測。此類感測器用於（Thinagaran 等人，2015 年；Vinod & Sushama，2016 年；Niel 等人，2016 年）。文獻中發表的一些作品包括用於提高可用性的製造感測器。在 (Tomoaki et al., 2016 ) 中，製造的浮標型感測器節點，用於參數監測。製造的感測器包括太陽能電池、鋰離子電池、電源模組和傳輸模組。內部製造的基於TiO 2的厚膜 pH 電阻感測器，用於 (Mitar et al., 2016）。該感測器模組輸出，可以直接連接到微控制器，無需額外的信號處理電子設備。在（Theofanis 等人，2014 年）中，作者開發了低成本、易於使用且準確的濁度感測器，用於連續管道內濁度監測。在（Francesco 等人，2015 年）中，作者提出了一種海水探頭，用於監測用於海水品質監測的多個參數表5。

表5 用於水質監測的感測器

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(Theofanis et al., 2014 ; Peng et al., 2009 ; Xiuna et al., 2010 ; Francesco et al., 2015 ; Azedine et al., 2000 ) 中介紹了廣泛的數據分析和資訊處理。(Haroon & Anthony, 2016 )提出了一種分層路由算法，以減少通信開銷，並增加適用於河流/湖泊水監測的 WSN 的壽命。

在（新加坡公共事業委員會 (PUB)，2016 年）中，提供了對整合通信技術 (ICT) 的智慧水電網系統的審查。(Woon et al., 2016 )討論了一種涵蓋從源頭，到自來水的整個水循環的綜合管理模式，以確保水的穩定性、安全性和效率。

功耗相關問題

功耗是物聯網應用的主要限制因素，因為這些應用最有可能依靠電池運行。數據通信是功耗的主要來源。對於智慧水質監測等應用，數據通信分兩個階段進行。一種是感測器與控制器之間的通信，另一種是控制器與應用之間的通信。表6 顯示了幾種可能適用的短距離通信協議（Al-Fuqaha 等人，2015 年；Ray，2016 年）。感測器節點和控制器之間，可能的通信協議有 Zigbee、藍牙、BLE 和 LoRa。Wi-Fi 不適合感測器節點和控制器之間的通信，因為功耗很高（Shuker et al., 2016）。根據我們的文獻調查，所有的工作都使用 zigbee 協議，進行感測器節點和控制器之間的通信。

表 6 短距離通信協議

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擬議的工作旨在進行生活水質監測。假設感測器連接在管道內。控制器和感測器形成安裝在用戶場所的單個模組。因此，感測器直接連接到控制器。對於湖泊、河流和海水監測等應用，感測器和控制器相距相當遠。在這種情況下，將使用表6中列出的短距離通信協議（例如 Zigbee）。

對於控制器和應用之間的通信，Wi-Fi 是一個引人注目的選擇。使用其他短距離協議，感測器節點可以輕鬆地與控制器通信，但是當嘗試將系統連接到 Internet 時，需要某種類型的能夠與感測器和 Internet 進行通信的適配器。這是額外的硬體開銷。有了 Wi-Fi，就不會出現上述問題，因為有一個已經建成，並存在的基礎設施。Wi-Fi 的局限性在於，該標準是為筆記型電腦和 PC 設計的，它們的電源要求與電池供電的智慧對象完全不同。因此，製造商已開始開發低功耗 Wi-Fi 設備。電源管理和延長電池壽命，是 CC3200 等嵌入式低功耗 Wi-Fi 設備的主要關注領域。2017 年）。

在（Thomas 等人，2016 年）中，作者比較了獨立微控制器與 Zigbee、藍牙低功耗 (BLE) 模組，和帶有內置 Wi-Fi 設備的控制器的功耗。從實驗結果可以看出，與獨立微控制器相比，Wi-Fi 內置設備的功耗更低。原因是獨立設備在傳輸過程中，建立和取消連接時會產生額外的功耗。在 Wi-Fi 內置控制器中，Wi-Fi 模組進入睡眠模式，同時保留之前建立的連接。因此，每次 Wi-Fi 模組喚醒時，都不需要建立新的連接。這在很大程度上降低了功耗。表7顯示了 CC3200 與文獻中使用的微控制器和嵌入式板的比較（Al-Fuqaha 等人，2015 年；Ray，2016 年）。

表 7 微控制器和嵌入式闆卡的比較

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提議的系統

硬體設計

在提議的系統中監測的關鍵參數是電導率、濁度、水位和 pH 值。所提出系統的框圖如圖2所示。

控制器構成了啟用物聯網的水質監測系統的核心部分。從表4中可以看出，大多數基於 IoT 的解決方案，使用帶有外部 Wi-Fi 的控制器。這樣的設計不具有成本效益、功率效率，並且還導致複雜的電路。在這項工作中，TI CC3200 是一款帶有內置 Wi-Fi 模組和 ARM Cortex M4 內核的單晶片微控制器，可以連接到最近的 Wi-Fi 熱點進行網路連接。

感測器直接連接到控制器，因為建議的系統是監測生活用水品質。透過將感測器放入不同的水溶液中，來測量感測器參數，例如電導率、濁度、水位和 pH 值。測量參數可透過 LCD 查看。來自感測器的數據使用控制器發送到雲端。閾值是根據 WHO 提供的標準在雲端設置的。如果該值超過閾值，則消息從雲發送到用戶行動設備。已經開發了一個行動應用 APP，其中可以查看雲中每個感測器獲得的值。這可以由水質監測機構和用戶使用。所提出系統的詳細電路圖如圖3所示。

電導率是溶液承載電流能力的量度。該參數用於確定水中的鹽分含量。在建議的設計中，YL-69 用於測量水的電導率。它由兩個電極組成，當置於水中時會產生與電導率成正比的電勢。它以每厘米的semens 為單位。可接受的電導率範圍為 300 至 800 μseimen/cm。

pH 測量溶液中酸或鹼的量。帶有反相運算放大器的三合一 pH 計用於測量 pH。反相運算放大器，用於將電壓從 mV 提升到電壓範圍。pH 感測器由兩個電極組成，即參比電極和 pH 電極，也稱為測量電極。當置於溶液中時，pH 電極會產生與 pH 成正比的電位。該值的範圍是 0 到 14。飲用水的可接受的 pH 值範圍是 6.5 到 8.5。

濁度是衡量水中混濁度的指標。LDR 和 LED 等光電設備用於測量濁度。光被懸浮固體傳輸和反射，反射光被感測器接收。LDR 是高電阻半導體。如果落在器件上的光是高頻的，半導體吸收的光子會給束縛電子，足夠的能量跳入導帶。在建議的系統中，LED 和 LDR 之間的距離為 9 cm。產生的自由電子導電，從而降低電阻。

感測水位以確定水箱中水的深度。這是使用探針方法完成的。三個探頭用於指示水位，如高、低和中。

軟體設計

雲端感測器數據更新流程圖如圖4所示。感測器的讀數在雲端不斷更新，並顯示在連接的 LCD 上。編程是使用 ENERGIA IDE 完成的。

從控制器發送的數據儲存在「Ubidots」雲中。「Ubidots」為開發人員提供了一個平台，來捕獲數據，並將其轉化為有用的資訊。這些功能包括一個即時儀表板，用於分析數據或控制設備，並透過公共鏈接共享數據。儲存在雲端的數據，可用於詳細分析。雲被編程為在監控參數超過閾值限制時，發送警報 SMS 消息。表8總結了 Ubidots 雲平台的有用功能（Ubidots，2017 年）。