数字化水质监测

管理水资源一直很重要，但这种监测正变得越来越高科技，也越来越有用。芯片不再是对水龙头进行抽查，也不再是对水库水位进行粗略的测量，而是可以从源头、无论水储存在哪里、水龙头或废水系统中监测和测量水的数量和质量。

随着气候变化和不受控制的人口增长给水供应带来压力，每一滴水都很重要。一些新的传感器和网络通过使传感器和网络更便宜而显示出前景。

美国环境保护署(EPA)对美国的饮用水系统设定了限制90年污染物，包括化学和微生物。测试必须按时完成，尽管各州可以制定更严格的规定。

欧洲议会也监测和限制污染物，最近启动了一项观察名单监测两种内分泌干扰物质- -雌二醇和壬基酚，它们会对人体生理和生化过程产生影响。欧盟在2020年修订了其饮用水标准，并使其废水标准更加严格。

根据一份报告，在这些法规的刺激下，以及对保护的需求，预计从2021年到2026年，全球水和废水传感器市场将以约7.4%的复合年增长率(CAGR)增长报告魔多情报局。最大的监测系统供应商是ABB有限公司、施耐德电气公司、霍尼韦尔国际公司、艾默生电气公司和欧姆龙公司。在研究期间，北美将占据最大的市场份额，但亚太地区的CAGR将最高。

LoRa联盟首席执行官兼主席唐娜·摩尔(Donna Moore)说:“我们看到的主要问题是缺水和水质。”“在地球上所有的水中，97.2%是盐水，只有2.8%是纯水。问题是我们没有得到更多的纯净水，所以这真的是围绕着节约用水和水的质量。”

感觉到了什么
可以感知的是电导率、浑浊度(由微粒引起的水的浑浊度)、pH值、盐度、温度、溶解氧、余氯、ORP或氧化还原电位(表示水体是否自净)、COD或化学需氧量(表示有机物)、氨氮、叶绿素和蓝绿藻。看起来像白板笔的离子探针传感器可以发现氨、硝酸盐和氯化物等物质。

有些传感器已经存在很长时间了。自20世纪60年代以来，电磁流量计或磁力计一直被用于测量流量。“自推出以来，无活动部件、低维护和高可靠性提高了它们的受欢迎程度。这些年来，在设计、建筑材料或可用性方面都没有太大变化。”写ABB。

磁力计看起来像一根管道，内联连接在输送流量的管道上，有一个变送器和一个传感器，可以在导电液体(水)中感应电压。发射器利用法拉第电磁感应定律将电压转换为测量值。现代版本的传感器有dsp，并连接到网络，可以将数据转发到应用端。其它类型的流量计有压差流量计和超声波流量计。

但是流量计也有一些新的变化。“在英飞凌，我们有创新的解决方案，使用非侵入式传感器技术，如毫米波雷达和超声波传感器，可用于测量水流，”英飞凌应用工程高级总监Kim Lee说英飞凌科技．毫米波雷达目前也被用于工业应用，以测量储罐中液体的表面水平。消费者天线封装雷达传感器提供了小型化的尺寸，可用于较小的水箱和容器，以容纳我们的饮用水。最终，英飞凌将努力提供更节能、更智能的系统解决方案。”

Brewer Science将印刷电子技术应用于水传感器，用于测量水质，特别是寻找硝酸盐、铅、重金属和有机含量等污染物，以及pH值和离子活性。该公司从制造自己的碳纳米管墨水开始，然后将其与柔性电路板和印刷相结合，制造水传感器。

“有些是基于碳纳米管的，但我们也有基于电化学的传感器和其他材料，我们已经开发了多年，”Adam Scotch，智能设备和印刷电子研发总监说布鲁尔科学，在最近的演讲．“但我们现在的重点是尝试使用打印设备，利用它们的小尺寸和低成本的生产，开始在大面积分布我们的传感器，这样数千个传感器被部署来测量我们的河流、湖泊、溪流和水库的水质，将其集成到市政中心的水处理设施中，以及测量分配系统和工业、商业和住宅建筑的水龙头。”

图1:Brewer Science开发了一种可检测铅和硝酸盐的打印传感器，可用于实时水质监测。来源:Brewer Science

获取数据
趋势是将传感器系统视为一个整体，并提供所有部分，如传感器、网络和解释数据的应用程序。

“我们的客户真正关心的是数据。他们不关心传感器的样子。他们不在乎它是怎么做的。他们关心的是数据是否准确，是否尽可能实时。”他们的目标是建立大型分布式传感器网络，目前他们正在对此进行测试。该公司为传感器系统开发了固件和软件，包括使用AI和ML的数据分析。“我们已经能够建立一个系统，使我们能够连接我们所有的设备，并将数据发送到云服务器。在云中进行分析，然后将数据提取并发送到门户网站或我们的客户。现在这是一个完整的系统。”

远程低功耗广域(LPWA)网络是一种低成本的方式，可以帮助降低进入壁垒。LoRa WAN是一个开放的远程标准，在未经许可的频段上使用LPWA网络协议，特别是工业、科学和医疗(ISM)频段。LoRa联盟在水质方面看到了很多用例。

Actility高级技术开发副总裁、LoRa联盟董事会副主席兼技术委员会主席Alper Yegin表示:“我们有很多围绕水表的项目部署。“现在，许多AMI(高级计量基础设施)项目正在通过LoRa WAN成为现实，因为仪表通常处于极具挑战性的射频条件下，例如在壁橱后面或地下，而LoRa WAN通信技术的高灵敏度提供了可靠的网络，可以将数据从这种具有挑战性的环境中带出来。此外，LoRa WAN的电池消耗非常低，用户可以在整个寿命周期内使用仪表，无需更换电池，寿命在10到15年之间。”

LoRA WAN出现在废水监测中，特别是在工业区。除了监测污水泵站和水质外，LoRA WAN还被用于洪水预警系统、农业田地湿度监测以及支付系统，当客户不付款时关闭水(当他们付款时重新打开水)。

然而，传感器广播数据的数量和频率确实对能源使用有影响。根据魔多情报公司的说法，实时获取数据将是一些水传感器向前发展的动力，所以无论使用什么网络和设备，都必须适应持续的数据流。随着更多新型传感器和网络的成熟，实时数据流将在需要的地方成为现实，在不需要的时候节省成本。