CN108746193A - 农田重金属污染在线预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了农田重金属污染在线预警系统，该系统包括重金属浓度感知预警子系统、执行装置和控制处理装置，所述重金属浓度感知预警子系统、执行装置分别与所述控制处理装置连接；所述重金属浓度感知预警子系统被配置为监测土壤的重金属浓度数据，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；所述控制处理装置被配置为根据所述预警信号发出对应的控制指令；所述执行装置被配置为执行所述控制指令，以完成对重金属的吸附处理。
Description
技术领域
本发明涉及重金属监测技术领域，具体涉及农田重金属污染在线预警系统。
背景技术
相关技术中，重金属的检测方法主要有质谱分析法、原子光谱法、紫外-可见分光光度法、电化学分析法等。质谱分析法是用电场和磁场将运动的离子按质核比分离后进行检测的方法。不足之处在于仪器造价高，预处理过程繁琐，仪器自动化实现比较困难。原子光谱法能对样品中的重金属含量进行有效分析，但样品前处理复杂，分析时间长。紫外-可见吸收分光光度法是利用棱镜或光栅等单色器来获得单色光并对待测物质的吸光能力进行测定的方法，该方法的局限性在于谱线重叠引起的干扰性以及操作的繁琐性。电化学检测技术是近年来发展较快的一种方法，电化学分析法的检测限较低，测试灵敏度较高，但该方法仪器复杂、操作过程较繁琐，不适被配置为现场实时快速检测。这些传统的检测方法操作复杂，花费高昂，每次只能检测一种或几种元素含量。
农田中重金属的去除方法主要有淋洗法、电热修复法、投加土壤改良剂、泵出处理法、生物修复法等。淋洗法是利用洗液或者加入可以提高重金属水溶性的化学物质的水将污染物冲到根的外层。淋洗法对于重金属的高度污染治理效果比较好，比较适合于轻质土壤，但其投资大，容易造成土壤的养分流失和地下水污染。电热修复法是对土壤加热，使其升温把有害污染物解析出来并统一收集处理，一般被配置为处理容易挥发的有害污染物，不足之处是这一修复技术会破坏土壤中的有机质及结构水。投加土壤改良剂的方法治理效果和费用适中，对污染不太严重的土壤适用，但重金属有可能会再度活化。泵出处理法是一种适用于为土壤深层或蓄水层污染的就地去污方法，是将处理剂从注入井中注入土壤，使吸附固定在土壤颗粒上的污染物解析下来并随处理液向土体下部迁移，再通过另一端的抽水井将含污染物的处理液抽上来进行处理，但处理过程要消耗大量的水，且有的处理剂本身也会造成污染。另外，泵出处理难以保证污染物和处理剂充分接触，也难以确定处理的完全程度。生物修复法利用生物技术来治理污染的土壤，通过生物来削减净化土壤中的重金属或降低重金属毒性，这一方法易于操作，但生物量低，对金属有选择性，不适于多种金属复合污染的土壤。
目前的重金属检测方法和处理方法是分开进行的，存在花费高昂，操作繁琐，过程复杂等问题，这些操作方法的操作步骤或冗长繁琐，或干扰因素较多，或需要使用比较昂贵的大型分析仪器，而且对操作人员有很高的专业技能要求，大都只能在实验室内完成，不能满足现场、快速在线检测的技术要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供农田重金属污染在线预警系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了农田重金属污染在线预警系统，该系统包括重金属浓度感知预警子系统、执行装置和控制处理装置，所述重金属浓度感知预警子系统、执行装置分别与所述控制处理装置连接；
所述重金属浓度感知预警子系统被配置为监测土壤的重金属浓度数据，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；
所述控制处理装置被配置为根据所述预警信号发出对应的控制指令；
所述执行装置被配置为执行所述控制指令，以完成对重金属的吸附处理；
其中，所述的重金属浓度感知预警子系统包括无线传感器网络和分析预警装置，无线传感器网络被配置为采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置被配置为根据重金属浓度数据分析土壤污染严重程度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号。
优选地，所述执行装置包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有对重金属进行吸附处理的吸附材料。
优选地，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。
进一步地，系统还包括与所述控制处理装置连接的重金属污染监控平台，所述重金属污染监控平台被配置为根据所述控制处理装置的控制指令绘制区域重金属污染图。
本发明的有益效果为：本发明将现场在线监测预警与实时处理重金属污染过程相结合，该系统及方法具有测试快速简捷，结果准确、成本低廉、检测限低及灵敏度高的特点，对样品没有破坏性，且检测周期大大缩短，适合现场在线检测重金属的含量并实时处理重金属污染，降低了对操作人员的专业技能要求，降低人力、财力的要求，实现了农田中重金属污染在线监测预警及实时处理一体化进行的技术目标。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的重金属浓度感知预警子系统的结构示意框图。
附图标记：
重金属浓度感知预警子系统1、执行装置2、控制处理装置3、无线传感器网络10、分析预警装置20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1、图2，本发明实施例提供了农田重金属污染在线预警系统，该系统包括重金属浓度感知预警子系统1、执行装置2和控制处理装置3，所述重金属浓度感知预警子系统1与执行装置2分别与所述控制处理装置3连接；
所述重金属浓度感知预警子系统1被配置为监测土壤的重金属浓度数据，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；
所述控制处理装置3被配置为根据所述预警信号发出对应的控制指令；
所述执行装置2被配置为执行所述控制指令，以完成对重金属的吸附处理；
其中，所述的重金属浓度感知预警子系统1包括无线传感器网络10和分析预警装置20，无线传感器网络10被配置为采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置20被配置为根据重金属浓度数据分析土壤污染严重程度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号。
在一种实施方式中，所述执行装置2包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有对重金属进行吸附处理的吸附材料。
在一种实施方式中，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。
进一步地，农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统还包括与所述控制处理装置3连接的重金属污染监控平台，所述重金属污染监控平台被配置为根据所述控制处理装置3的控制指令绘制区域重金属污染图。
本发明将现场在线监测预警与实时处理重金属污染过程相结合，该系统及方法具有测试快速简捷，结果准确、成本低廉、检测限低及灵敏度高的特点，对样品没有破坏性，且检测周期大大缩短，适合现场在线检测重金属的含量并实时处理重金属污染，降低了对操作人员的专业技能要求，降低人力、财力的要求，实现了农田中重金属污染在线监测预警及实时处理一体化进行的技术目标。
其中，所述无线传感器网络10包括汇聚节点和多个被配置为采集重金属浓度数据的传感器节点10，网络拓扑构建时从传感器节点选出簇首并进行分簇；簇首被配置为收集簇内传感器节点采集的重金属浓度数据并发送至汇聚节点；汇聚节点被配置为将各簇首发送的重金属浓度数据汇总发送至分析预警装置20。在一种可选的方式中，所述传感器节点包括被配置为监测土壤的重金属浓度数据的传感器和被配置为将传感器信号转换为对应的重金属浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括被配置为控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
在一个实施例中，簇内各传感器节点若与对应簇首节点的距离不超过设定的通信距离阈值Hσ，则直接与对应簇首节点通信；若与对应簇首节点距离超过设定的通信距离阈值Hσ，传感器节点在距离对应簇首节点较近的邻居节点中，选择符合路径条件的邻居节点作为备选通信连接节点，归入备选通信连接节点集合，并在备选通信连接节点集合中选择当前剩余能量最大的邻居节点进行通信，其中，传感器节点i的邻居节点为位于传感器节点i通信范围内的其他传感器节点；所述路径条件为：
式中，Oi表示传感器节点i的对应簇首节点，ij表示传感器节点i的距离簇首节点较近的邻居节点中第j个邻居节点；为所述第j个邻居节点与簇首节点Oi的距离，Hσ为所述设定的通信距离阈值，ni为传感器节点i的距离簇首节点较近的邻居节点数量。
本实施例设定了传感器节点与簇首节点间的通信路由机制，该通信路由机制中，通过距离确定传感器节点是否与簇首节点直接通信，能够保障传感器节点采集的重金属浓度数据可靠稳定地发送至簇首节点。
本实施例创新性地设定了路径条件，使得与簇首节点距离超过设定的通信距离阈值时的传感器节点在选择下一跳时，能够避免选择距离簇首节点较远的下一跳，从而能够有效减少重金属浓度数据传输时延，同时减少在多跳传输时由于数据流干扰造成的重金属浓度数据包丢失现象的发生率。
在一种能够实施的方式中，传感器节点在重金属浓度数据传输过程中周期性地计算和更新自身的缓存空间拥塞变化程度，同时将更新后的缓存空间拥塞变化程度发送至上一跳的传感器节点；传感器节点实时监测与其通信的邻居节点，当发现该邻居节点的缓存空间拥塞变化程度超过设定的变化程度阈值时，传感器节点重新选择当前剩余能量最大的邻居节点进行通信；其中，设定初始时缓存空间拥塞变化程度为0，所述缓存空间拥塞变化程度的计算公式为：
式中，Ki(p)表示传感器节点i在当前周期p时刻计算的缓存空间拥塞变化程度，ri(p)为传感器节点i在当前周期p时刻时自身缓存空间中的重金属浓度数据包队列长度，ri(p-Δp)传感器节点i在上一周期p时刻时自身缓存空间中的重金属浓度数据包队列长度，Δp为周期间隔时间，ri,m,x为传感器节点i的初始缓存大小；C为缓存空间拥塞变化程度影响因子，当传感器节点i的下一跳传感器节点的缓存空间拥塞变化程度超过设定的变化程度阈值时，C＝0.1，否则C＝0；
式中，为传感器节点i的下一跳传感器节点与对应簇首节点的距离，Hσ为所述设定的通信距离阈值；U[ri(p)-ri(p-Δp)]为设定的判断取值函数，当ri(p)-ri(p-Δp)≥0时，U[ri(p)-ri(p-Δp)]＝1，当ri(p)-ri(p-Δp)<0时，U[ri(p)-ri(p-Δp)]＝-0.4。
本实施例设定了传感器节点到簇首节点的路径维护机制，其中设定了缓存空间拥塞变化程度的计算公式，该缓存空间拥塞变化程度能够较好地反映下一跳传感器节点到簇首节点之间路径的拥塞程度。
由于一个传感器节点的剩余缓存空间过小或者有大量重金属浓度数据包到达时，传感器节点处理重金属浓度数据包的压力将急剧增大，重金属浓度数据包将积压在传感器节点的缓存空间中，造成一定的拥塞现象。
基于上述现象，本实施例通过缓存空间拥塞变化程度来充当衡量这一现象严重程度的指标，当传感器节点发现所通信的邻居节点的缓存空间拥塞变化程度超过设定的变化程度阈值时，进行下一跳节点的重新选择，能够有效降低重金属浓度数据包缓存数量过多的传感器节点的处理压力，平衡各传感器节点的负载，有效降低因重金属浓度数据缓存过多而丢包的概率，进而提高重金属浓度数据传输的可靠性，为后续对机械轴承的故障监测提供较为全面的数据基础。
在一种能够实施的方式中，簇首节点与汇聚节点之间的距离未超过预设的距离下限时，簇首节点直接与汇聚节点通信；簇首节点与汇聚节点之间的距离超过预设的距离下限时，簇首节点通过多跳路由的方式将重金属浓度数据发送至汇聚节点。
在一种可选的方式中，在选择下一跳时，簇首节点根据下列计算公式计算各距离汇聚节点更近的邻居簇首节点的优选值，并从中选择优选值最大的邻居簇首节点作为下一跳：
式中，Muv为簇首节点u的第v个距离汇聚节点更近的邻居簇首节点的优选值，KT为所述设定的变化程度阈值，Kv(p)为所述第v个距离汇聚节点更近的邻居簇首节点的当前缓存空间拥塞变化程度，H(v,o)为所述第v个距离汇聚节点更近的邻居簇首节点到汇聚节点的距离，Hmin为所述设定的距离下限，H(u,o)为簇首节点u到汇聚节点的距离；＝1、＝2为设定的权重系数。
本实施例基于缓存空间拥塞变化程度和距离因素，创造性地设定了优选值的计算公式，并相应提出了簇首节点到汇聚节点的通信路由机制。
基于该通信路由机制，本实施例中，簇首节点与汇聚节点之间的距离超过预设的距离下限时，簇首节点选择优选值最大的邻居簇首节点作为下一跳，有利于提高重金属浓度数据传输的可靠性，且能够尽量缩短重金属浓度数据传输路径的总长度，节省重金属浓度数据传输的成本，进而在整体上节省了农田重金属污染在线预警系统的监测成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.农田重金属污染在线预警系统，其特征是，包括重金属浓度感知预警子系统、执行装置和控制处理装置，所述重金属浓度感知预警子系统、执行装置分别与所述控制处理装置连接；
所述重金属浓度感知预警子系统被配置为监测土壤的重金属浓度数据，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；
所述控制处理装置被配置为根据所述预警信号发出对应的控制指令；
所述执行装置被配置为执行所述控制指令，以完成对重金属的吸附处理；
其中，所述的重金属浓度感知预警子系统包括无线传感器网络和分析预警装置，无线传感器网络被配置为采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置被配置为根据重金属浓度数据分析土壤污染严重程度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，所述无线传感器网络包括汇聚节点和多个被配置为采集重金属浓度数据的传感器节点，网络拓扑构建时从传感器节点选出簇首并进行分簇；簇首被配置为收集簇内传感器节点采集的重金属浓度数据并发送至汇聚节点；汇聚节点被配置为将各簇首发送的重金属浓度数据汇总发送至分析预警装置。
3.根据权利要求1所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，所述执行装置包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有对重金属进行吸附处理的吸附材料。
4.根据权利要求3所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，还包括与所述控制处理装置连接的重金属污染监控平台，所述重金属污染监控平台被配置为根据所述控制处理装置的控制指令绘制区域重金属污染图。
6.根据权利要求2所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，所述传感器节点包括被配置为监测土壤的重金属浓度数据的传感器和被配置为将传感器信号转换为对应的重金属浓度数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括被配置为控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
7.根据权利要求2所述的农田重金属污染在线预警系统，其特征是，簇内各传感器节点若与对应簇首节点的距离不超过设定的通信距离阈值Hσ，则直接与对应簇首节点通信；若与对应簇首节点距离超过设定的通信距离阈值Hσ，传感器节点在距离对应簇首节点较近的邻居节点中，选择符合路径条件的邻居节点作为备选通信连接节点，归入备选通信连接节点集合，并在备选通信连接节点集合中选择当前剩余能量最大的邻居节点进行通信，其中，传感器节点i的邻居节点为位于传感器节点i通信范围内的其他传感器节点；所述路径条件为：
式中，Oi表示传感器节点i的对应簇首节点，ij表示传感器节点i的距离簇首节点较近的邻居节点中第j个邻居节点；为所述第j个邻居节点与簇首节点Oi的距离，Hσ为所述设定的通信距离阈值，ni为传感器节点i的距离簇首节点较近的邻居节点数量。
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