CN108896737B - 一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，该系统包括重金属在线监测预警子系统、重金属实时处理装置和控制处理装置，所述重金属在线监测预警子系统与重金属实时处理装置分别与所述控制处理装置连接；所述重金属在线监测预警子系统用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；所述控制处理装置用于接收且分析预警信号并发出控制指令；所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理。
Description
技术领域
本发明涉及重金属监测技术领域，具体涉及一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统。
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，不适用于现场实时快速检测。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，一般用于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，本发明提供一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，该系统包括重金属在线监测预警子系统、重金属实时处理装置和控制处理装置，所述重金属在线监测预警子系统与重金属实时处理装置分别与所述控制处理装置连接；
所述重金属在线监测预警子系统用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；
所述控制处理装置用于接收且分析预警信号并发出控制指令；
所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理；
其中，所述的重金属在线监测预警子系统包括无线传感器网络和分析预警装置，无线传感器网络用于采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置用于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，所述重金属实时处理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用于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在线监测预警子系统的结构示意框图。
附图标记：
重金属在线监测预警子系统1、重金属实时处理装置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一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，该系统包括重金属在线监测预警子系统1、重金属实时处理装置2和控制处理装置3，所述重金属在线监测预警子系统1与重金属实时处理装置2分别与所述控制处理装置3连接；
所述重金属在线监测预警子系统1用于监测土壤的重金属浓度，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用于接收且分析预警信号并发出控制指令；
所述重金属实时处理装置2用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理；
其中，所述的重金属在线监测预警子系统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用于采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置20用于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，所述重金属实时处理装置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用于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用于采集重金属浓度数据的传感器节点10，在成簇阶段，传感器节点通过分簇确定成员节点和簇头，成员节点采集和/或处理重金属浓度数据，生成包含有重金属浓度数据的数据包，并将该数据包转发到对应的簇头；簇头对簇内传感器节点的重金属浓度数据进行融合处理，并将融合后的数据发送到汇聚节点；汇聚节点主要用于对无线传感器网络10中传感器节点的数据进行汇聚采集。
在一种实施方式中，所述传感器节点包括用于监测土壤的重金属浓度的传感器和用于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；还包括用于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，传感器节点通过分簇确定成员节点和簇头，包括：
(1)在网络初始化阶段，传感器节点获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；
(2)在分簇阶段，设部署的传感器节点构成的监测范围为a×b，计算成簇数目的最优值：
式中，M表示最优成簇数目，K为部署的传感器节点个数，D0s为所述监测范围的中心点到汇聚节点的距离，int表示取整函数，用于对
的计算结果进行取整；
(3)将所述监测范围划分为M个等宽的子区间，对每个子区间c，选择一个权值最大的传感器节点作为簇头，其中权值的计算公式为：
Yn＝Qn/Dn,s
式中，Yn表示传感器节点n的权值，Qn为传感器节点n的当前剩余能量，Dn,s为传感器节点n到汇聚节点的距离；
(4)子区间c内的其他传感器节点作为成员节点，成员节点与其簇头为单跳距离时，直接将采集的重金属浓度数据发送至该簇头；成员节点与其簇头为多跳距离时，将采集的重金属浓度数据发送至所在子区间内最近的邻居节点，从而该邻居节点将接收到重金属浓度数据与自己的重金属浓度数据融合后发送给下一跳节点，直至发送至对应的簇头。
其中，当前簇头低于设定的能量阈值时，重新选择一个权值最大的传感器节点来更新当前簇头。
本实施例提出了一种新的传感器节点的成簇机制，该成簇机制中，预先确定成簇数目的最优值，并根据最优成簇数目进行分簇，有利于有效控制簇规模，减少能量消耗，优化无线传感器网络10的性能；本实施例基于区间划分的方式，以子区间为单位选择权值最大的传感器节点作为簇头，有利于均衡子区间内传感器节点的能耗，节省簇头向汇聚节点发送数据的能量成本，从而有利于延长无线传感器网络10的生命周期。
在一个实施例中，各簇头基于蚁群算法构建链路，具体为：
(1)初始化簇头间各链路的信息素浓度及迭代次数，随机选择n个簇头，每个簇头产生一只前向蚂蚁并发送出去，初始化各前向蚂蚁的地址链表以及当前链路总开销，n只前向蚂蚁携带对应的初始化的信息从不同的簇头出发，开始周游旅程；
(2)当前向蚂蚁α到达簇头i时，在簇头i通信范围内的其他簇头中，并概率地选择一个没有被前向蚂蚁α访问过的簇头作为下一跳节点，设定概率公式为：
式中，Wij(α)表示前向蚂蚁α选择簇头j为下一跳节点的概率，其中簇头j为位于簇头i通信范围内的一个簇头；Uα为前向蚂蚁α所保存的它已经访问过的所有簇头的集合；Pij表示簇头i与簇头j的链路上的信息素浓度，Pix为簇头i与位于其通信范围内的第x个簇头链路上的信息素浓度；Qj0为簇头j的初始能量，Qj为簇头j的当前剩余能量，Dij为簇头i与簇头j之间的距离，Qx0为所述第x个簇头的初始能量，Qx为所述第x个簇头的当前剩余能量，Dix为簇头i与所述第x个簇头之间的距离，c1、c2、c3皆为设定的权重系数；
(3)若簇头j为选择的下一跳节点，则将簇头j记录在前向蚂蚁α的地址链表中，并按照下列公式更新自身的当前链路总开销：
St＝St-1+Dij
式中，St表示更新后的当前链路总开销，St-1表示更新前的当前链路总开销，初始时当前链路总开销为0，S为设定的单位距离链路开销值；
(4)前向蚂蚁α携带已经更新的信息按照(2)和(3)继续周游旅程，直至访问了所有簇头，此时生成后向蚂蚁α′，后向蚂蚁α′携带前向蚂蚁α的当前链路总开销和地址链表信息，沿着前向蚂蚁α的逆路径前进，在沿途所经历的链路释放信息素以更新相应链路的信息素浓度，直至到达出发时的簇头；
(5)对于每只到达出发时的簇头的后向蚂蚁，汇聚节点比较各后向蚂蚁携带的当前链路总开销，确定当前链路总开销最小的后向蚂蚁β，并选择该后向蚂蚁β携带的地址链表所记载的路径作为最优路径，并按照所述最优路径构建链路。
其中，按照下列公式更新相应链路的信息素浓度：
式中，P(e,v)′表示更新后的簇头e,v之间链路上的信息素浓度，P(e,v)为更新前的簇头e,v之间链路上的信息素浓度，u为信息素的挥发度；Dv,s为簇头v到汇聚节点的距离，Dg,s为位于簇头e的通信范围内的第g个簇头到汇聚节点的距离，Ue为位于簇头e的通信范围内的簇头集合；ΔP为预设常量，表示后向蚂蚁在沿途所释放的信息素的总量。
本实施例基于蚁群算法对各簇头进行建链，其中提出了相应的概率选择公式以及信息素浓度的更新公式。通过本实施例概率选择公式选择下一跳节点，能够更加优化下一跳节点的选择，从而有利于提高蚂蚁所寻找路径的稳定性，并且有利于缩短所寻找的路径的长度，减少路径时延；在每次信息素更新的过程中，每条链路所增加的信息素浓度由链路上的簇头到汇聚节点的距离决定，能够使得距离汇聚节点更近的链路获得更高的信息素浓度，从而有利于均衡网络中各簇头的能量消耗，节省农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统的能量成本。
在一个实施例中，在各簇头构建的链路上选择一个优选值最大的簇头作为主簇头，主簇头用于汇聚各簇头发送的数据，并与汇聚节点直接通信；簇头与主簇头之间的距离不超过设定的距离阈值时，簇头与主簇头直接通信；簇头与主簇头之间的距离超过设定的距离阈值时，簇头与所述构建的链路上的其他簇头通信；其中优选值的计算公式设定为：
式中，Fa表示簇头a的优选值，Qa为簇头a的当前剩余能量，Da,s为簇头a到汇聚节点的距离，Da,b为簇头a到所述构建的链路上第b个簇头的距离，m表示所述构建的链路上除簇头a外具有的簇头数量；z1、z2为设定的权重系数。
本实施例中，除了主簇头外，其他簇头无需与汇聚节点进行直接通信，有利于减少网络消耗的总能量。主簇头不但需要接收自己簇内传感器节点和其他簇头发送的重金属浓度数据，而且需要将最终数据直接发送给汇聚节点，通过上述方式选择优选值最大的簇头担任主簇头，有利于在确保有足够能量承担数据传输任务的前提下，尽量地减少重金属浓度数据传输的开销，从而节省农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统的监测成本。
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 (5)
1.一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，其特征是，包括重金属在线监测预警子系统、重金属实时处理装置和控制处理装置，所述重金属在线监测预警子系统与重金属实时处理装置分别与所述控制处理装置连接；所述重金属在线监测预警子系统用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；所述控制处理装置用于接收且分析预警信号并发出控制指令；所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理；其中，所述的重金属在线监测预警子系统包括无线传感器网络和分析预警装置，无线传感器网络用于采集土壤的重金属浓度数据；分析预警装置用于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；所述无线传感器网络包括汇聚节点和多个用于采集重金属浓度数据的传感器节点，在成簇阶段，传感器节点通过分簇确定成员节点和簇头，成员节点采集和/或处理重金属浓度数据，生成包含有重金属浓度数据的数据包，并将该数据包转发到对应的簇头；簇头对簇内传感器节点的重金属浓度数据进行融合处理，并将融合后的数据发送到汇聚节点；汇聚节点主要用于对无线传感器网络中传感器节点的数据进行汇聚采集；传感器节点通过分簇确定成员节点和簇头，包括：
(1)在网络初始化阶段，传感器节点获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；
(2)在分簇阶段，设部署的传感器节点构成的监测范围为a×b，计算成簇数目的最优值：
式中，M表示最优成簇数目，K为部署的传感器节点个数，D0s为所述监测范围的中心点到汇聚节点的距离，int表示取整函数，用于对
的计算结果进行取整；
(3)将所述监测范围划分为M个等宽的子区间，对每个子区间c，选择一个权值最大的传感器节点作为簇头，其中权值的计算公式为：
Yn＝Qn/Dn,s
式中，Yn表示传感器节点n的权值，Qn为传感器节点n的当前剩余能量，Dn,s为传感器节点n到汇聚节点的距离；
(4)子区间c内的其他传感器节点作为成员节点，成员节点与其簇头为单跳距离时，直接将采集的重金属浓度数据发送至该簇头；成员节点与其簇头为多跳距离时，将采集的重金属浓度数据发送至所在子区间内最近的邻居节点，从而该邻居节点将接收到重金属浓度数据与自己的重金属浓度数据融合后发送给下一跳节点，直至发送至对应的簇头；
其中，当前簇头低于设定的能量阈值时，重新选择一个权值最大的传感器节点来更新当前簇头；
各簇头基于蚁群算法构建链路，具体为：
(1)初始化簇头间各链路的信息素浓度及迭代次数，随机选择n个簇头，每个簇头产生一只前向蚂蚁并发送出去，初始化各前向蚂蚁的地址链表以及当前链路总开销，n只前向蚂蚁携带对应的初始化的信息从不同的簇头出发，开始周游旅程；
(2)当前向蚂蚁α到达簇头i时，在簇头i通信范围内的其他簇头中，并概率地选择一个没有被前向蚂蚁α访问过的簇头作为下一跳节点，设定概率公式为：
式中，Wij(α)表示前向蚂蚁α选择簇头j为下一跳节点的概率，其中簇头j为位于簇头i通信范围内的一个簇头；Uα为前向蚂蚁α所保存的它已经访问过的所有簇头的集合；Pij表示簇头i与簇头j的链路上的信息素浓度，Pix为簇头i与位于其通信范围内的第x个簇头链路上的信息素浓度；Qj0为簇头j的初始能量，Qj为簇头j的当前剩余能量，Dij为簇头i与簇头j之间的距离，Qx0为所述第x个簇头的初始能量，Qx为所述第x个簇头的当前剩余能量，Dix为簇头i与所述第x个簇头之间的距离，c1、c2、c3皆为设定的权重系数；
(3)若簇头j为选择的下一跳节点，则将簇头j记录在前向蚂蚁α的地址链表中，并按照下列公式更新自身的当前链路总开销：
St＝St-1+Dij
式中，St表示更新后的当前链路总开销，St-1表示更新前的当前链路总开销，初始时当前链路总开销为0；
(4)前向蚂蚁α携带已经更新的信息按照(2)和(3)继续周游旅程，直至访问了所有簇头，此时生成后向蚂蚁α′，后向蚂蚁α′携带前向蚂蚁α的当前链路总开销和地址链表信息，沿着前向蚂蚁α的逆路径前进，在沿途所经历的链路释放信息素以更新相应链路的信息素浓度，直至到达出发时的簇头；
(5)对于每只到达出发时的簇头的后向蚂蚁，汇聚节点比较各后向蚂蚁携带的当前链路总开销，确定当前链路总开销最小的后向蚂蚁β，并选择该后向蚂蚁β携带的地址链表所记载的路径作为最优路径，并按照所述最优路径构建链路；
其中，按照下列公式更新相应链路的信息素浓度：
式中，P(e,v)′表示更新后的簇头e,v之间链路上的信息素浓度，P(e,v)为更新前的簇头e,v之间链路上的信息素浓度，u为信息素的挥发度；Dv,s为簇头v到汇聚节点的距离，Dg,s为位于簇头e的通信范围内的第g个簇头到汇聚节点的距离，Ue为位于簇头e的通信范围内的簇头集合；ΔP为预设常量，表示后向蚂蚁在沿途所释放的信息素的总量。
2.根据权利要求1所述的一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，其特征是，所述重金属实时处理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。
3.根据权利要求2所述的一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，其特征是，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，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用于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。
5.根据权利要求1所述的一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理系统，其特征是，所述传感器节点包括用于监测土壤的重金属浓度的传感器和用于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；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。
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