水質(zhì)如何，秒測(cè)

田媛

孫堅(jiān)的課題是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。在介紹他“高大上”的課題內(nèi)容時(shí)，他說(shuō)：“我只是一個(gè)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(huì)毒死水生生物，一些重金屬如銅、鎘、汞、砷等，含量超標(biāo)也會(huì)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(cè)量工具才可鑒別。以往傳統(tǒng)的檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，讀研后，孫堅(jiān)跟著導(dǎo)師開(kāi)始了“面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)”課題的研究。

其實(shí)，這種無(wú)線傳感的方法，孫堅(jiān)從本科時(shí)就開(kāi)始嘗試了。一次，他研究用于測(cè)試房間空氣是否超標(biāo)的甲醛監(jiān)測(cè)盒，“當(dāng)時(shí)我本科的專業(yè)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，所以第一個(gè)想法是如何用計(jì)算機(jī)編程的方法去完成空氣中某些氣體含量的監(jiān)測(cè)，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€(gè)月后，孫堅(jiān)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(hào)或其他形式的信息輸出?！?/p>

由于人們對(duì)不同類型房間的使用要求可能不同，孫堅(jiān)設(shè)計(jì)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(hào)傳輸給總控制器，然后就可以在計(jì)算機(jī)上看到每一種待監(jiān)測(cè)氣體含量的具體數(shù)值?！斑@段經(jīng)歷讓我對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)這類型的課題有了一定了解和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，而且我實(shí)實(shí)在在地了解過(guò)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的過(guò)程，也思考過(guò)它的一些不足之處，我對(duì)用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)有很大的信心?！?/p>

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)很辛苦，比如要測(cè)試山頂泉水的質(zhì)量時(shí)，師傅們經(jīng)常背著一個(gè)大書(shū)包，用一根樹(shù)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(shí)驗(yàn)室完成檢測(cè)，無(wú)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(shí)時(shí)得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，水質(zhì)監(jiān)測(cè)員艱難取樣后，得到的檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)是好幾天前的了，如果某一地區(qū)的水源因?yàn)槲廴?/p>

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

測(cè)，人力物力成本都比較高?！?/p>

南京郵電大學(xué)計(jì)算孫堅(jiān)加入課題組后，沒(méi)過(guò)多久就成了小組長(zhǎng)。團(tuán)機(jī)軟件學(xué)院研究隊(duì)從傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)法完成全方位測(cè)試作為突破口，生，目前在江蘇省無(wú)線傳感網(wǎng)高技術(shù)首先開(kāi)發(fā)出了能適應(yīng)各種水下監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做點(diǎn)被放置在需采樣的水域后，就可以實(shí)時(shí)感知水環(huán)境課題中的關(guān)鍵參數(shù)了。除了硬件，團(tuán)隊(duì)還自主開(kāi)發(fā)了一套水環(huán)境監(jiān)測(cè)的軟件系統(tǒng)，使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間形成雙向通信，“這樣一來(lái)，我們只需要查看計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的數(shù)據(jù)，就可實(shí)時(shí)知道待測(cè)的水環(huán)境情況。這些節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)期放置，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。”

雖然整套方案看上去十分有效，但實(shí)際操作起來(lái)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(jì)，因?yàn)閭鞲衅髟谒陆邮盏降男盘?hào)很弱，也很容易受到外在其他信號(hào)源的干擾。就拿PH傳感器來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的PH傳感器有上千種，我們通過(guò)查閱資料，咨詢各類傳感器的公司和專家，還有實(shí)踐和模擬，最后采用了一種工業(yè)級(jí)的PH復(fù)合電極來(lái)采集水質(zhì)的PH值，可這個(gè)傳感器如何與單片機(jī)和電池板相連接又是個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)上百次的摸索，我們終于設(shè)計(jì)出了一個(gè)合適的電路方案。”

此外，團(tuán)隊(duì)還根據(jù)水環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)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(hào)采集更直接，信號(hào)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(kāi)始了實(shí)地監(jiān)測(cè)。

太湖試水

2016年8月，孫堅(jiān)團(tuán)隊(duì)來(lái)到了中科院太湖觀測(cè)站。“開(kāi)始工作后，我們先租了一條小船進(jìn)行布點(diǎn)，就是把那些傳感器節(jié)點(diǎn)拋到水面上。當(dāng)然拋的時(shí)候也不是隨隨便便拋，布點(diǎn)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(diǎn)就會(huì)比較淺，在水下植物多的水域，布點(diǎn)就會(huì)比較深；在有人活動(dòng)的靠近岸邊的區(qū)域，布點(diǎn)會(huì)比較密集，在遠(yuǎn)離岸邊的水域，布點(diǎn)就稀疏一些。”

布點(diǎn)完成后，“只要打開(kāi)計(jì)算機(jī)里我們?yōu)橥瓿伤|(zhì)檢測(cè)而開(kāi)發(fā)的軟件，進(jìn)入系統(tǒng)的頁(yè)面后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查詢這個(gè)選項(xiàng)，再輸入我們需要查詢的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，就能看到我們所需要的各種數(shù)據(jù)了?！敝灰?jiàn)孫堅(jiān)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“完成并開(kāi)始查詢”后，不到 1秒的時(shí)間，屏幕上立刻顯示出了包括時(shí)間、節(jié)點(diǎn)號(hào)、溫度、深度、 PH值以及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等各種信息。孫堅(jiān)說(shuō)：“這個(gè)軟件除了可以實(shí)時(shí)查詢某一節(jié)點(diǎn)附近的水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況，還可以將各種所需的數(shù)據(jù)圖形化，更直觀更具體?！?/p>

說(shuō)著，他點(diǎn)擊了軟件上的“查詢節(jié)點(diǎn)能量”這一選項(xiàng)，計(jì)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(shí)到中午12時(shí)為時(shí)間軸，我們看到，水溫在10

不到1秒的時(shí)間，屏幕上立刻顯示出了包括時(shí)間、節(jié)點(diǎn)號(hào)、溫度、深度、PH值以及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等各種信息。

時(shí)到11時(shí)上升的速度最快，所有的數(shù)據(jù)一目了然。孫堅(jiān)告訴我們，第一天團(tuán)隊(duì)成員們?cè)谔陌哆吙吹竭@些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)第一次出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上時(shí)，當(dāng)場(chǎng)的所有人幾乎都要跳起來(lái)了，“真的太激動(dòng)了，這一年多來(lái)，我們真是經(jīng)歷了無(wú)數(shù)失敗，才算圓滿地完成了這次任務(wù)。”

孫堅(jiān)很快從成功的喜悅中平靜下來(lái)，“其實(shí)我們還有再提高再完善的地方?！彪S后，孫堅(jiān)提出了兩個(gè)改進(jìn)的方向，“一是后臺(tái)系統(tǒng)可增加提供歷史水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)的查詢功能，對(duì)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行一些分析，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)可以報(bào)警。二是可以研發(fā)基于移動(dòng)終端設(shè)備的水環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，也就是開(kāi)發(fā)出一款手機(jī)軟件，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端設(shè)備與后臺(tái)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(cè)的水質(zhì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)處的水質(zhì)情況，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境數(shù)據(jù)隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)?！?/p>

責(zé)任編輯：曹曉晨

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