Вимоги до технічних засобів автоматизованої системи вимірювання гідрохімічних параметрів поверхневих вод із застосуванням IoT-технологій
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2024-2(94)-215-223Ключові слова:
автоматизована система моніторингу, гідрохімічні параметри, сенсорні датчики, IoT-технології, якість поверхневих водАнотація
Обґрунтовано вимоги до технічних засобів автоматизованої системи вимірювання гідрохімічних параметрів поверхневих вод з використанням сучасних сенсорних технологій та IoT-рішень для забезпечення безперервного збору, передачі та централізованого зберігання даних моніторингу. Проведено системний аналіз даних моніторингу водних об’єктів Житомирської територіальної громади, що дозволив визначити пріоритетні показники для автоматизованого контролю. До них належать: загальні фізико-хімічні параметри (pH, каламутність, електропровідність), біогенні елементи (азот амонійний, нітрати, фосфати), специфічні забруднювачі (залізо, марганець) та органічні показники забруднення (БСК, ХСК). Детально проаналізовано принципи роботи основних типів датчиків: електрохімічних, оптичних, кондуктометричних та іон-селективних. Обґрунтовано ключові вимоги до технічних засобів та до їх характеристик, враховуючи діапазони вимірювань, точність, часову стабільність, стійкість до температурних коливань та необхідність регулярного калібрування. Окрему увагу приділено параметрам передачі даних, використанню енергоефективних рішень та антиобростаючому захисту сенсорів. Розроблено рекомендації щодо оптимального розміщення та комплектації 10 автоматизованих станцій моніторингу, які враховують гідрологічні особливості контрольних точок та рівень техногенного навантаження. Запропоновано диференційований підхід до комплектації станцій датчиками залежно від специфіки кожного місця встановлення. Визначено регламент технічного обслуговування, що включає регулярне калібрування, заміну електродів і мембран, а також періодичне очищення сенсорів для забезпечення точності вимірювань. Важливим аспектом впровадження є інтеграція системи з хмарними сервісами для централізованого зберігання та обробки отриманих даних. Це забезпечує оперативний доступ до результатів моніторингу та можливість аналітичного прогнозування. Запропонована система автоматизованого моніторингу дозволить значно підвищити ефективність контролю за якістю поверхневих вод, мінімізувати час реагування на аварійні ситуації та забезпечити дотримання європейських стандартів якості води. Отримані результати є основою для подальшого вдосконалення системи шляхом інтеграції алгоритмів машинного навчання для обробки даних та розробки моделей прогнозування динаміки забруднень. Впровадження такої системи створить умови для сталого управління водними ресурсами та зменшення антропогенного впливу на довкілля.
Посилання
Cloete, N., Malekian, R. and Nair, L. (2016), «Design of Smart Sensors for Real-Time Water Quality Monitoring», IEEE Access, No. 4, рр. 3975–3990, doi: 10.1109/ACCESS.2016.2592958.
Roy, A., Mukhopadhyay, S. and Roy, S. (2022), «IoT Based Real-Time Spring Water Quality Monitoring System», 1st International Conference on the Paradigm Shifts in Communication, Embedded Systems, Machine Learning and Signal Processing (PCEMS), рр. 84–87, doi: 10.1109/PCEMS55161.2022.9807932.
Yaroshenko, I., Kirsanov, D., Marjanovic, M. et al. (2020), «Real-Time Water Quality Monitoring with Chemical Sensors», Sensors, No. 20, doi: 10.3390/s20123432.
Budiarti, R., Tjahjono, A., Hariadi, M. and M.Purnomo (2019), «Development of IoT for Automated Water Quality Monitoring», International Conference on Computer Science, Information Technology, and Electrical Engineering (ICOMITEE), рр. 211–216, doi: 10.1109/ICOMITEE.2019.8920900.
Pant, D., Bhatt, A., Khan, M. et al. (2019), «Automated IoT based Smart Water Quality Assessment System», System Modeling and Advancement in Research Trends (SMART), 8th International Conference, рр. 98–104. doi: 10.1109/SMART46866.2019.9117271.
Yasruddin, M., Ismail, M., Husin, Z. and Tan, W. (2022), «Development of Automated Real-Time Water Quality Monitoring and Controlling System in Aquarium», IEEE 12th Symposium on Computer Applications & Industrial Electronics (ISCAIE), рр. 241–245, doi: 10.1109/iscaie54458.2022.9794472.
Kozak, V., Tovmachenko, A. and Hertsiuk, M. (2020), «Metodychni aspekty otsinky stanu khimichnoho zabrudnennia ta yakosti vody poverkhnevykh vod Ukrainy», Zhurnal khromatohrafichnoho tovarystva, doi: 10.15407/zht2020.66.033.
Nazarov, N., Kuk, H. and Vudheit, H. (2004), «Zabrudnennia vody v Ukraini: poshuk mozhlyvykh rishen», Mizhnarodnyi zhurnal rozvytku vodnykh resursiv, No. 20, рр. 205–218, doi: 10.1080/0790062042000206110.
Zorina, O. (2018), «Naukove obgruntuvannia udoskonalennia metodyky ekoloho-hihiienichnoho monitorynhu yakosti pytnykh i pryrodnykh vod», Hihiiena navkolyshnoho seredovyshcha, рр. 29–35, doi: 10.32402/DOVKIL2018.02.029.
Yevropeiskyi parlament i rada YeS (2020), Pro vstanovlennia ramok zakhodiv Spivtovarystva v haluzi vodnoi polityky, dyrektyva 2000/60/YeS vid 23 zhovtnia 2000 roku, [Online], available at: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/994_962#Text
Khilchevskyi, V. (2021), «Monitorynh vody v Ukraini: metody otsinky yakosti vody dlia riznykh tsilei u zviazku zi zminamy v normatyvno-pravovii bazi (2014–2021)», Hidrolohiia, hidrokhimiia ta hidroekolohiia, doi: 10.17721/2306-5680.2021.3.1.
Khilchevskyi, V. and Zabokrytska, M. (2022), «Osoblyvosti normatyvnoi otsinky yakosti vody vodnykh obiektiv rekreatsiinoho pryznachennia v Ukraini», Hidrolohiia, hidrokhimiia ta hidroekolohiia, doi: 10.17721/2306-5680.2022.1.4.
Iermolenko, V., Khafurova, O., Deineha, M. et al. (2021), «Yakist pytnoi vody v silskii mistsevosti: problemy pravovoho seredovyshcha», Veb-konferentsii E3S, doi: 10.1051/e3sconf/202128009022.
Alshami, A., Ali, E. and Elsayed, M. (2024), «IoT Innovations in Sustainable Water and Wastewater Management and Water Quality Monitoring: A Comprehensive Review of Advancements, Implications, and Future Directions», IEEE Access, No. 12, рр. 58427–58453, doi: 10.1109/ACCESS.2024.3392573.
Højberg, A., Refsgaard, J., Geer, F. et al. (2007), «Use of Models to Support the Monitoring Requirements in the Water Framework Directive», Water Resources Management, No. 21, рр. 1649–1672, doi: 10.1007/S11269-006-9119-Y.
Allan, I., Vrana, B., Greenwood, R. et al. (2006), «Strategic monitoring for the European Water Framework Directive», Trends in Analytical Chemistry, No. 25, рр. 704–715, doi: 10.1016/J.TRAC.2006.05.009.
Plumejeaud-Perreau, C., Quinton, E., Pignol, C. et al. (2017), «Towards better traceability of field sampling data», Comput. Geosci, No.129, рр. 82–91, doi: 10.1016/J.CAGEO.2019.04.009.
Albro, P. (1979), «Problems in analytic methodology: sample handling, extraction and cleanup», Annals of the New York Academy of Sciences, No. 320, doi: 10.1111/j.1749-6632.1979.tb56589.x.
Slinkard, K. and Singleton, V. (1977), «Total Phenol Analysis: Automation and Comparison with Manual Methods», American Journal of Enology and Viticulture, doi: 10.5344/ajev.1974.28.1.49.
Nichols, Z. and Geddes, C. (2021), «Sample Preparation and Diagnostic Methods for a Variety of Settings: A Comprehensive Review», Molecules, No. 26, doi: 10.3390/molecules26185666.
O’Grady, J., Zhang, D., O’Connor, N. and Regan, F. (2020), «A comprehensive review of catchment water quality monitoring using a tiered framework of integrated sensing technologies», The Science of the Total Environment, doi: 10.1016/J.SCITOTENV.2020.142766.
Banna, M., Imran, S., Francisque, A. et al. (2014), «Online Drinking Water Quality Monitoring: Review on Available and Emerging Technologies», Critical Reviews in Environmental Science and Technology, No. 44, рр. 1370–1421, doi: 10.1080/10643389.2013.781936.
Park, J., Kim, K. and Lee, W. (2020), «Recent Advances in Information and Communications Technology (ICT) and Sensor Technology for Monitoring Water Quality», Water, doi: 10.3390/w12020510.
Silva, G., Campos, D., Brasil, J. et al. (2022), «Advances in Technological Research for Online and In Situ Water Quality Monitoring», Sustainability, doi: 10.3390/su14095059.
Singh, Y. and Walingo, T. (2024), «Smart Water Quality Monitoring with IoT Wireless Sensor Networks», Sensors, No. 24, doi: 10.3390/s24092871.
Derzhavne ahentstvo vodnykh resursiv Ukrainy, ofitsiinyi sait, [Online], available at: https://www.davr.gov.ua/
Baseinove upravlinnia vodnykh resursiv richky Prypiat, ofitsiinyi sait, [Online], available at: https://buvrzt.gov.ua/
Zhytomyrska miska rada, ofitsiinyi sait, [Online], available at: https://zt-rada.gov.ua/?pages=19556
Список використаної літератури:
Cloete N. Design of Smart Sensors for Real-Time Water Quality Monitoring / N.Cloete, R.Malekian, L.Nair // IEEE Access. – 2016. – № 4. – Р. 3975–3990. DOI: 10.1109/ACCESS.2016.2592958.
Roy A. IoT Based Real-Time Spring Water Quality Monitoring System / A.Roy, S.Mukhopadhyay, S.Roy // 1st International Conference on the Paradigm Shifts in Communication, Embedded Systems, Machine Learning and Signal Processing (PCEMS). – 2022. – Р. 84–87. DOI: 10.1109/PCEMS55161.2022.9807932.
Real-Time Water Quality Monitoring with Chemical Sensors / I.Yaroshenko, D.Kirsanov, M.Marjanovic and other // Sensors. – 2020. – № 20. DOI: 10.3390/s20123432.
Development of IoT for Automated Water Quality Monitoring / R.Budiarti, A.Tjahjono, M.Hariadi, M.Purnomo // International Conference on Computer Science, Information Technology and Electrical Engineering (ICOMITEE). – 2019. – Р. 211–216. DOI: 10.1109/ICOMITEE.2019.8920900.
Automated IoT based Smart Water Quality Assessment System / D.Pant, A.Bhatt, M.Khan and other // 8th International Conference System Modeling and Advancement in Research Trends (SMART). – 2019. – Р. 98–104. DOI: 10.1109/SMART46866.2019.9117271.
Development of Automated Real-Time Water Quality Monitoring and Controlling System in Aquarium / M.Yasruddin, M.Ismail, Z.Husin, W.Tan // IEEE 12th Symposium on Computer Applications & Industrial Electronics (ISCAIE). – 2022. – Р. 241–245. DOI: 10.1109/iscaie54458.2022.9794472.
Козак В. Методичні аспекти оцінки стану хімічного забруднення та якості води поверхневих вод України / В.Козак, А.Товмаченко, М.Герцюк // Журнал хроматографічного товариства. – 2020. DOI: 10.15407/zht2020.66.033.
Назаров Н. Забруднення води в Україні: пошук можливих рішень / Н.Назаров, Г.Кук, Г.Вудгейт // Міжнародний журнал розвитку водних ресурсів. – 2004. – № 20. – С. 205–218. DOI: 10.1080/0790062042000206110.
Зоріна О. Наукове обґрунтування удосконалення методики еколого-гігієнічного моніторингу якості питних і природних вод / О.Зоріна // Гігієна навколишнього середовища. – 2018. – С. 29–35. DOI: 10.32402/DOVKIL2018.02.029.
Про встановлення рамок заходів Співтовариства в галузі водної політики: Директива Європейського Парламенту і Ради ЄС 2000/60/ЄС від 23 жовтня 2000 року. [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/994_962#Text.
Хільчевський В. Моніторинг води в Україні: методи оцінки якості води для різних цілей у зв’язку зі змінами в нормативно-правовій базі (2014–2021) / В.Хільчевський // Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія. – 2021. DOI: 10.17721/2306-5680.2021.3.1.
Хільчевський В. Особливості нормативної оцінки якості води водних об’єктів рекреаційного призначення в Україні / В.Хільчевський, М.Забокрицька // Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія. – 2022. DOI: 10.17721/2306-5680.2022.1.4.
Якість питної води в сільській місцевості: проблеми правового середовища / В.Єрмоленко, О.Хафурова, М.Дейнега та ін. // Веб-конференції E3S. – 2021. DOI: 10.1051/e3sconf/202128009022.
IoT Innovations in Sustainable Water and Wastewater Management and Water Quality Monitoring: A Comprehensive Review of Advancements, Implications, and Future Directions/ A.Alshami, E.Ali, M.Elsayed and other // IEEE Access. – 2024. – № 12. – Р. 58427–58453. DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3392573.
Use of Models to Support the Monitoring Requirements in the Water Framework Directive / A.Højberg, J.Refsgaard, F.Geer and other // Water Resources Management. – 2007. – № 21. – Р. 1649–1672. DOI: 10.1007/S11269-006-9119-Y.
Strategic monitoring for the European Water Framework Directive/ I.Allan, B.Vrana, R.Greenwood and other // Trends in Analytical Chemistry. – 2006. – № 25. – Р. 704–715. DOI: 10.1016/J.TRAC.2006.05.009.
Towards better traceability of field sampling data / C.Plumejeaud-Perreau, E.Quinton, C.Pignol and other // Comput. Geosci. – 2017. – № 129. – Р. 82–91. DOI: 10.1016/J.CAGEO.2019.04.009.
Albro P. Problems in analytic methodology: sample handling, extraction and cleanup / P.Albro // Annals of the New York Academy of Sciences. – 1979. – № 320. DOI: 10.1111/j.1749-6632.1979.tb56589.x.
Slinkard K. Total Phenol Analysis: Automation and Comparison with Manual Methods / K.Slinkard, V.Singleton // American Journal of Enology and Viticulture. – 1977. DOI: 10.5344/ajev.1974.28.1.49.
Nichols Z. Sample Preparation and Diagnostic Methods for a Variety of Settings: A Comprehensive Review / Z.Nichols, C.Geddes // Molecules. – 2021. – № 26. DOI: 10.3390/molecules26185666.
A comprehensive review of catchment water quality monitoring using a tiered framework of integrated sensing technologies / J.O’Grady, D.Zhang, N.O’Connor, F.Regan // The Science of the Total Environment. – 2020. DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2020.142766.
Online Drinking Water Quality Monitoring: Review on Available and Emerging Technologies / M.Banna, S.Imran, A.Francisque and other // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. – 2014. – № 44. – Р. 1370–1421. DOI: 10.1080/10643389.2013.781936.
Park J. Recent Advances in Information and Communications Technology (ICT) and Sensor Technology for Monitoring Water Quality / J.Park, K.Kim, W.Lee // Water. – 2020. DOI: 10.3390/w12020510.
Advances in Technological Research for Online and In Situ Water Quality Monitoring / G.Silva, D.Campos, J.Brasil and other // Sustainability. – 2022. DOI: 10.3390/su14095059.
Singh Y. Smart Water Quality Monitoring with IoT Wireless Sensor Networks / Y.Singh, T.Walingo // Sensors. – 2024. – № 24. DOI: 10.3390/s24092871.
Державне агентство водних ресурсів України : офіційний сайт [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://www.davr.gov.ua/.
Басейнове управління водних ресурсів річки Прип’ять : офіційний сайт [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://buvrzt.gov.ua/.
Житомирська міська рада : офіційний сайт [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://zt-rada.gov.ua/?pages=19556.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Ганна Вікторівна Кірейцева
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
