CN107707677A - 小区生活用水水质实时监测系统 - Google Patents

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Abstract

小区生活用水水质实时监测系统，涉及水质检测。设有水质采集模块、控制模块、无线传输模块、云端服务器模块、PC终端和移动终端模块；所述水质采集模块设置在小区入水总管处，通过阀门将入水总管中的生活用水引入水质采集模块；所述控制模块和无线传输模块与水质采集模块相连并用于将采集到的数据进行转换，将采集后的数据通过无线传输模块发送至云端服务器模块；所述PC终端和移动终端模块通过无线通信方式从云端服务器模块获取数据，PC终端控制小区LED大屏实时向小区居民显示水质情况，移动终端模块通过APP将水质情况反映给小区居民。

Description

小区生活用水水质实时监测系统
技术领域
本发明涉及水质检测，尤其是涉及小区生活用水水质实时监测系统。
背景技术
据不完全统计，全国共计4000余家自来水厂，每天为居民供水量高达6000万吨。虽然 自来水在出厂时有经过严格的检测，但是经过管道输送和二次加压,容易产生二次污染，自 来水送达各个小区时，水质情况都会产生不同程度的恶化。自来水水源污染、自来水厂污染、 管道二次污染、供水二次污染都是自来水可能面临的污染来源。
近年来，生活用水污染事故屡见不鲜，这些事件反应了同一个问题：用户没有办法及时 了解到当前生活用水的水质情况，虽然自来水在出厂时经过检测，但是自来水从自来水厂到 小区的传输过程中，水质可能出现恶化。这种情况下，用户一旦饮用这样的生活用水就会造 成健康问题。
当前，对自来水水质的测试由于需要较高的技术基础，因此业主通常只能通过肉眼或者 气味来判断水质的好坏。需要较为专业的检测时，一般依赖于第三方的检测机构。目前，传 统的检测方式存在下述几个问题：
(1)通常只有出现事故时(比如肉眼看到水质浑浊、或者水中散发恶臭等)，业主才会 向第三方机构提出检测申请。那么这样的方式，基本上是用于取证，而不能对业主本身的健 康起到保护作用。
(2)传统检测方式具有单次性，也就是一次测试只能代表测试当天的小区水质，然而业 主更关心的是每天的水质情况，甚至每个小时的水质情况。如果要每天进行检测，很显然传 统的检测方式，开销是巨大的。
(3)第三方检测机构的收费标准是按照检测参数的数量多少来进行收费的，所以，他们 往往会选取一些并不是非常重要的指标进行检测。而对业主来说，他们更关心的是自来水在 水厂到小区之间的管道中可能恶化的指标、对人体影响较大的指标。
发明内容
本发明的目的在于针对上述中所存在的问题，提供可解决小区用户实时了解生活用水水 质的问题，同时还可协助定位水质出现问题的小区生活用水水质实时监测系统。
本发明设有水质采集模块、控制模块、无线传输模块、云端服务器模块、PC终端和移动 终端模块；所述水质采集模块设置在小区入水总管处，通过阀门将入水总管中的生活用水引 入水质采集模块；所述控制模块和无线传输模块与水质采集模块相连并用于将采集到的数据 进行转换，将采集后的数据通过无线传输模块发送至云端服务器模块；所述PC终端和移动 终端模块通过无线通信方式从云端服务器模块获取数据，PC终端控制小区LED大屏实时向 小区居民显示水质情况，移动终端模块通过APP将水质情况反映给小区居民。
所述水质采集模块包括需要检测的5个水质指标传感器，包括温度传感器、pH传感器、 余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位(ORP)传感器，各个传感器都可以独立、实时地 监测当前的水质信息，其中温度传感器、余氯传感器和氧化还原电位传感器通过SPI总线与 控制模块相连，pH传感器和浊度传感器通过I2C总线与控制模块相连。
所述控制模块采用单片机作为控制模块的微控制器，微控制器的一端通过SPI和I2C协 议与温度传感器、pH传感器、余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位(ORP)传感器建立 通讯，定时获取各个传感器的数据，并进行汇聚以及数据处理；微控制器的另一端与无线传 输模块相连，将汇聚处理过的数据通过RS232总线送给无线传输模块。
所述无线传输模块采用GSM模式，避免了由于小区入水总管在地下室、3G、4G以及其 他无线信号无法完全覆盖的问题。无线传输模块和微控制器通过RS232总线与控制模块连接， 无线传输模块和微控制器另一端通过无线通信将采集到的数据传到云端服务器模块。
所述服务器模块用于接收无线传输模块传递的数据并存储，同时，云端服务器模块将采 集到的数据进行运算分析，根据采集到的参数分析计算，得到当前的生活用水综合评级。
所述PC终端和移动终端模块通过无线通信的方式，从云端服务器模块获取数据。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1、监测实时性好，居民可随时随地了解当前的水质情况，而不是传统的事后检测，真正 实现居民生活用水信息的及时获取。
2、监测系统可以24h不间断运行，克服传统水质检测的单次性的问题。并且检测数据全 年保留，通过机器学习算法可进行生活用水污染源定位以及对可能造成的水污染进行预测。
3、监测成本大幅度低，采用本技术方案后，只需要每隔半年对所述水质采集模块中的各 个传感器进行清洗，试剂添加即可。相对于传统的按次检测收费，成本大大降低。
4、监测的可靠性强，依据科学的指标选取方式，所检测的5项参数可以代表当前生活用 水的质量，保证检测结果真实有效。
附图说明
图1为本发明实施例小区生活用水水质实时监测系统的系统示意图。
图2为水质采集模块细化系统框图。
图3为本发明所述信号传输帧格式图。
图4为本发明所述水质参数采集过程流程图。
图5为发明所述pH影响因子pH_Rate与pH关系图。
图6为发明所述浊度影响因子Vturb与浊度Nt关系图。
图7为发明所述余氯影响因子Vcl与余氯CL关系图。
图8为发明所述ORP影响因子Vorp与ORP关系图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例设有水质采集模块、控制模块、无线传输模块、云端服务器 模块、PC终端和移动终端模块；所述水质采集模块设置在小区入水总管处，通过阀门将入水 总管中的生活用水引入水质采集模块；所述控制模块和无线传输模块与水质采集模块相连并 用于将采集到的数据进行转换，将采集后的数据通过无线传输模块发送至云端服务器模块； 所述PC终端和移动终端模块通过无线通信方式从云端服务器模块获取数据，PC终端控制小 区LED屏幕展示实时向物业云小区居民显示水质情况，移动终端模块通过APP将水质情况 反映给物业云小区居民。
所述水质采集模块包括需要检测的5个水质指标传感器，包括温度传感器、pH传感器、 余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位(ORP)传感器，各个传感器都可以独立、实时地 监测当前的水质信息，其中温度传感器、余氯传感器和氧化还原电位传感器通过SPI总线与 控制模块相连，pH传感器和浊度传感器通过I2C总线与控制模块相连。
所述控制模块采用单片机作为控制模块的微控制器，微控制器的一端通过SPI和I2C协 议与温度传感器、pH传感器、余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位(ORP)传感器建立 通讯，定时获取各个传感器的数据，并进行汇聚以及数据处理；微控制器的另一端与无线传 输模块相连，将汇聚处理过的数据通过RS232总线送给无线传输模块。
所述无线传输模块采用GSM模式，避免了由于小区入水总管在地下室、3G、4G以及其 他无线信号无法完全覆盖的问题。无线传输模块和微控制器通过RS232总线与控制模块连接， 无线传输模块和微控制器另一端通过无线通信将采集到的数据传到云端服务器模块。
所述服务器模块用于接收无线传输模块传递的数据并存储，同时，云端服务器模块将采 集到的数据进行运算分析，根据采集到的参数分析计算，得到当前的生活用水综合评级。
所述PC终端和移动终端模块通过无线通信的方式，从云端服务器模块获取数据。
本发明提供的小区生活用水水质实时监测系统，所述水质采集模块设置在小区入水总管 处，通过分水阀门将入水总管中的生活用水引入水质采集模块，从而获取当前水质信息；与 所述控制模块与水质采集模块相连，负责将采集到的数据进行转换，并将数据封装成帧，便 于后续传输；所述无线传输模块与控制模块相连，将成帧的数据通过无线通信的方式发送至 所述云端服务器模块。所述PC终端及移动终端模块通过FTP协议从所述云端服务器模块获 取数据，PC终端控制小区LED大屏实时向小区居民显示水质情况，移动终端则通过APP将 水质情况反映给小区居民。其中水质采集模块有包含五个水质指标的传感器，包括温度传感 器，pH传感器，余氯传感器，浊度传感器和ORP传感器，如图2所示。温度传感器、pH传 感器、余氯传感器通过SPI总线与控制器相连，浊度传感器和ORP传感器通过I2C总线与控 制器相连。关于为什么选定这5个指标进行测试，下面给出详细说明。
目前，对于居民的生活用水，在我国有一个明确统一的标准“GB5749-2006《生活饮用水 卫生标准》”。该国标中的所有的限值指标共有106项，其中又分为常规指标42项和非常 规指标64项。国标规定常规指标是能反映水质基本状况的指标，而非常规指标是根据地区、 时间或特殊情况下需要实施的指标，一般不做强制要求，只需要检测常规指标即可。常规指 标的42项并非所有的指标都同时检测，而是根据所用消毒剂的不同来遴选消毒剂指标和消 毒副产物指标，如通常情况下是以液氯作为消毒剂，就不需检测臭氧和甲醛等，由此这样排 除不需检测的指标后，常规指标的检测应为36项。再考虑到36项中，有19项是微生物指 标，而测量微生物指标需要采集水样，之后放置在培养皿中3～5日，然后通过显微镜数个数 来确定的。这类的具体数值无法实时获得，再考虑到微生物的代谢物存在必然会影响水中的 溶氧量，会影响到水中的ORP指标，因此该部分指标通过ORP来表征，从而剩下17项指标。 在这17项指标中，销，铁，猛，铜，锌等金属元素对人体虽然有影响，但是并不是非常关键， 对于这些金属元素的多寡，会影响到水质的pH。因此，可以通过测量pH的值来从侧面反应 手中金属离子的多寡。此外，如上文中所述，通常液氯作为消毒剂，而且水中余氯的浓度直 接影响到人体的身体健康，比如哮喘的概率增高，高密度HDL和胆固醇含量上升等，因此， 余氯必须作为检测的项目之一。最后，还有个最为直观的参数是浊度，浊度是指水中悬浮物 对光线透过时所发生的阻碍程度，越浑浊的水浊度越高，这也是必不可少的检测项目。综上， 再考虑到不同的指标标准会随着水温的变化而不同，最终选定5个指标作为我们的测量对象： 1.温度2.PH 3.余氯4.浊度5.ORP。
控制模块作为采集端的控制中心，它负责定时向水质采集模块发送命令采集数据命令(定 时时间可调)，并且对接收到不同传感器的数据进行处理及统计分析。之后它再将得到的水质 参数信息封装成统一的数据帧结构，便于后续的传输以及服务器端快速处理。数据帧格式如 图3所示，整个数据帧总时长为2.6ms，共包含25个字节，其中0～3共4个字节是帧头， 用来表征各个传感器以及控制中心是否正常工作；4～6共3个字节用来表示当前的温度数据； 7～9共3个字节用来表示当前的pH数值；10～12共3个字节用来表示当前的浊度数据；13～ 16共4个字节用来表示当前的余氯数据；17～20共4个字节用来表示当前的ORP数据；最 后21～24共4个字节是CRC校验码，用来判断该数据帧是否是有效帧。
无线传输模块则负责将控制模块生成的数据帧以无线的方式发送给云端服务器模块。目 前常用的无线传输技术可以分为WIFI、LORA、以及运营商网络三大类。考虑到设备安装位 置一般是处于小区入水口或者水房，这样的场景基本上是没有WIFI覆盖的，先排除。如果 采用LORA传输的话，必须实现部署LORA节点，这时就要涉及到各个节点的供电问题以及 对LORA网络的维护问题，大幅增加系统的成本和复杂度，因此也排除。最终还是选定运营 商网络作为最终的无线传输模式。对于运营商网络，又分为移动、联通、电信三家，通信制 式又可以分为2G，3G和4G。考虑到信号的覆盖和稳定性，经过对多处小区水房的综合调研 和试验，发现在这些场所，由于人流量极低，地势低洼，3g和4g传输所用频段太高，无法 完全覆盖。但是GSM系统频段在900MHz，较低的频率保证了信号在低洼地区的覆盖程度， 因此最终确定采用移动的gsm模式，作为系统的无线传输方式。总之只要能发短信的地方就 能将采集到的数据传送出来，信号不好时短信会延时，但是数据肯定不会丢失。综上，采集 端系统运行流程图如图4所示。
云端服务器模块将无线模块发送过来的数据进行汇聚，并且在云端服务器运行一个数据 库平台，将历史数据进行管理保留。同时运行一个FTP服务器，从而对后续的PC端以及手 机终端用户进行鉴权接入，为各有效用户提供数据。云端服务器的架设条件较为宽泛，只要 可以接入公网的地点即可搭建。也可以通过现有的腾讯云、阿里云进行布设。服务器接收到 前端采集到的数据后还要对数据进行处理。为了更直观的体现各参数对水质的影响，必须按 照各参数对水质影响程度的大小进行数值化处理。对于pH值，要计算出pH标准指数，下文 用pH_Rate表示，pH_Rate的表达式如下：
pH_Rate＝(7.0-pH)/(7.0-pHmin) pH≤7.0
pH_Rate＝(pH-7.0)/(pHmax-7.0) pH＞7.0
上式中，pH_Rate是PH标准指数，pH是当前生活用水测得的pH值，PHmin是水质标准中规定的下限6.5，pHmax是水质标准中规定的上限8.5.由此计算获得pH_Rate数值与当前 PH的数值关系如图5所示。在国标“GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》”中规定，生活饮用水PH应在6.5～8.5之间，过酸或者过碱的水都会对人体有害。对照图5可以看出，pH在6.5～8.5这一区间时，pH_Rate对应值在0～1之间。pH_Rate越小说明当前生活用水对身体健康的影响越小。
对于浊度，在国标中仅要求生活用水小于3NTU即可。浊度越小，说明水里的悬浮颗粒 越少，对健康的影响也越小。而且浊度在数值较低(0～1)之内时，随着浊度的提升，水质恶化的速度较慢，而超过浊度超过1NTU之后，随着浊度的提升，水质恶化的速度较快。因此，在这里对于浊度的数值化不妨用下述函数表示：
VTurb＝(eNt-e0)/(e3-e0) 0≤Nt≤3
上式中，Vturb表示浊度影响因子，Nt表示当前测得的浊度值。e是自然对数。图6为浊 度影响因子Vturb与浊度Nt关系图。从图中可以看出，随着浊度的提升，浊度影响因子也越 来越大与上述表述相符。
对于余氯，国标中要求生活用水中余氯的浓度要大于0.05mg/L。但是余氯含量如果太高 也会对人体的健康状况造成影响。对于普通男性男性(66.2kg)：参考值每天最高0.993g余 氯，对于普通女性(57.3kg)：参考值每天最高0.860g。因此水中余氯的含量控制在0.4mg/L 以下对人体的健康才不会造成较大伤害。因此生活用水中余氯含量在0.05mg/L的情况下最 佳，过多或过少都会导致健康问题。余氯的数值化后的可以用下述函数表示：
上式中Vcl表示余氯影响因子，CL表示当前测得的余氯值。图7为余氯影响因子Vcl与 余氯CL关系图，从图中可以看出当前测得余氯值在范围0.05～0.4之外时，余氯影响因子为 1，表示该情况下，饮用这样的水会对身体健康造成影响。在0.05～0.4范围内时，随之余氯 浓度变高，水对身体健康的影响程度也越大。
对于ORP，国标中并没有明确的范围要求。ORP对微生物的生长繁殖及存活有很大影响， 一般分为正电位和负电位。自然界中的氧化还原电位上限是+820mV，下限是-400mV，属于 充满氢(H2)的环境。各种微生物所要求的氧化还原电位不同。一般好氧微生物在+100mV 以上均可生长，最适为+300～+400mV；兼性厌氧微生物在+100mV以上时进行好氧呼吸，为 +100mV以下时进行无氧呼吸；专性厌氧细菌要求为-200～-250mV，其中专性厌氧的产甲烷 菌要求为-300～-400mV，最适为-330mV。根据经验数据，对于生活用水ORP最佳状态是 200mv，范围控制在150～550mv内，对人体基本上不会造成太大的影响。过高或过低则表示 某一种类的微生物浓度过高，都需要进一步检测。因此对于ORP，可以用下述函数表示：
上式中，Vorp是ORP影响因子，而ORP是当前测得的水的氧化还原程度。图8为ORP影响因子Vorp与ORP关系图。从图8中可以看到，ORP值为200时，是水质最为理想的状 态。在150～200范围内，随着ORP的减小，Vorp恶化程度不断加剧，并且恶化的速度也更 快。在200～550范围内，Vorp恶化程度与ORP成线性关系。一旦超出150～550范围外， Vorp恶化直接恶化为1。
对于水的温度，它只会轻微影响当上述4项参数的标准值。将上述的PH标准指数PH_Rate, Vturb，Vcl，Vorp，以及温度TEMP结合到一起，即可得到当前的水质评价因子Swater。他 们之间的关系可以通过下面的式子表示：
云端服务器模块获得水质评价因子Swater之后，即可将Swater和历史的测试数据存储到 数据库平台中。以待后续PC及移动终端模块的请求。
最后PC以及移动终端模块可以通过FTP协议连接到云端服务器，当然在连接之前必须 对这些有效用户进行授权。之后这些有效用户再通过给定的用户名密码获取相应数据。PC终 端可以连接小区LED屏，在大屏幕上显示小区的水质信息。而小区的用户则可以通过手机终 端的APP随时随地获取需要的生活用水质信息。

Claims (6)

1.小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于设有水质采集模块、控制模块、无线传输模块、云端服务器模块、PC终端和移动终端模块；所述水质采集模块设置在小区入水总管处，通过阀门将入水总管中的生活用水引入水质采集模块；所述控制模块和无线传输模块与水质采集模块相连并用于将采集到的数据进行转换，将采集后的数据通过无线传输模块发送至云端服务器模块；所述PC终端和移动终端模块通过无线通信方式从云端服务器模块获取数据，PC终端控制小区LED大屏实时向小区居民显示水质情况，移动终端模块通过APP将水质情况反映给小区居民。
2.如权利要求1所述小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于所述水质采集模块包括5个水质指标传感器：温度传感器、pH传感器、余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位传感器；温度传感器、余氯传感器和氧化还原电位传感器通过SPI总线与控制模块相连，pH传感器和浊度传感器通过I2C总线与控制模块相连。
3.如权利要求1所述小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于所述控制模块采用单片机作为控制模块的微控制器，微控制器的一端通过SPI和I2C协议与温度传感器、pH传感器、余氯传感器、浊度传感器和氧化还原电位传感器建立通讯，定时获取各个传感器的数据，并进行汇聚以及数据处理；微控制器的另一端与无线传输模块相连，将汇聚处理过的数据通过RS232总线送给无线传输模块。
4.如权利要求1所述小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于所述无线传输模块采用GSM模式，无线传输模块和微控制器通过RS232总线与控制模块连接，无线传输模块和微控制器另一端通过无线通信将采集到的数据传到云端服务器模块。
5.如权利要求1所述小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于所述服务器模块用于接收无线传输模块传递的数据并存储，云端服务器模块将采集到的数据进行运算分析，根据采集到的参数分析计算，得到当前的生活用水综合评级。
6.如权利要求1所述小区生活用水水质实时监测系统，其特征在于所述PC终端和移动终端模块通过无线通信的方式，从云端服务器模块获取数据。
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