基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式紫外-可見光譜水質(zhì)COD監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、水是維系人類生存與發(fā)展的重要資源。然而，隨著我國工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大量工業(yè)廢水和生活污水所造成的水環(huán)境污染日益嚴(yán)重，加強(qiáng)對水體環(huán)境的防治與監(jiān)管已迫在眉睫。COD(Chemical Oxygen Demand)，即化學(xué)需氧量，作為衡量水體水質(zhì)狀況的最重要參數(shù)之一，是水體環(huán)境監(jiān)測的必測項目。因此，實現(xiàn)對水質(zhì)COD參數(shù)的實時、在線監(jiān)測，無疑具有重要的現(xiàn)實意義。誠然，目前水質(zhì) COD檢測已擁有眾多的技術(shù)原理及方法。然而，基于紫外-可

2、見(Ultraviolet-Visible:UV-VIS)光譜法的水質(zhì)COD檢測技術(shù)，它不僅具有靈敏度高、重復(fù)性好、檢測精度高、分析速度快等優(yōu)點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對地表水、生活污水、工業(yè)廢水等多種場景下COD參數(shù)的在線、原位測量。尤其是，它與無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network:WSN)相結(jié)合，構(gòu)建一種分布式水質(zhì)COD在線、實時監(jiān)測系統(tǒng)，既能實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)控的流域全覆蓋，又能滿足我國行業(yè)主管部門對水質(zhì)聯(lián)防聯(lián)控的迫切需

3、求。本文以四川省科技支撐計劃項目(編號：2012SZ0111)和重慶市研究生科研應(yīng)用型科研創(chuàng)新項目(編號：CYS14039)為依托，在充分調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，遵循微型化、智能化、自動化的儀器設(shè)計要求，針對水質(zhì)COD實時、在線監(jiān)測的現(xiàn)實需要，提出了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)與紫外-可見光譜法相融合的分布式水質(zhì)COD在線監(jiān)測系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對水質(zhì)COD參數(shù)的實時、在線監(jiān)測。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①研制了基于UV-VIS的現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測裝

4、置硬件系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測裝置的功能與需求分析，遵循模塊化的設(shè)計原則，選用海洋光學(xué)的 PX-2型脈沖氙燈光源、USB2000+工業(yè)級光纖光譜儀和愛萬提斯的浸入式光譜探頭作為水質(zhì)信息的光譜采集系統(tǒng)；結(jié)合低功耗、高性能的嵌入式ARM? CortexTM-A7雙核處理器，采用雙通道設(shè)計的兩級放大電路來擴(kuò)大通信距離，開發(fā)設(shè)計了功耗低、體積小、傳輸遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快的水質(zhì)監(jiān)測終端樣機(jī)。②研究了基于壓縮感知的水質(zhì)監(jiān)測光譜數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)算法。針對水質(zhì)COD紫外

5、-可見吸收光譜數(shù)據(jù)量大、存在冗余，傳輸過程中有可能發(fā)生丟包等問題，采用小波變換與壓縮感知相結(jié)合的方法，既能在大幅降低數(shù)據(jù)傳輸量時有效保留光譜特征，又具有良好的魯棒性，在一定丟包率下(丟包率<25)，仍能夠高質(zhì)量重構(gòu)出原始光譜。③實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)，并設(shè)計了數(shù)據(jù)通信協(xié)議和分布式數(shù)據(jù)庫。針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的管理，采用監(jiān)測裝置的自組網(wǎng)和心跳機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)具有良好的靈活性和拓展性，可實時掌握網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的運(yùn)行狀況?；诰W(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸