IoT technologie voor meting waterkwaliteitsparameters: potentieel en uitdagingen

De specialisten van imec werken hard aan de ontwikkeling van betrouwbare en robuuste Internet of Things (IoT) sensoren voor Internet of Water Flanders. Ze hebben nog heel wat werk voor de boeg en vertellen ons wat meer over hun werkwijze en de uitdagingen waar ze nog voor staan.

Internet of Water Flanders wordt een een realtime en fijnmazige aanvulling voor het reeds bestaande meetnetwerk van de Vlaamse Milieumaatschappij. De huidige opvolging van de waterkwaliteit berust op schepstalen . Die aanpak levert precieze informatie op voor een breed gamma aan waterkwaliteitsindicatoren op verspreid over Vlaanderen. Internet of Water Flanders met zijn recentste IoT sensor-, data- en netwerktechnologie wordt dan ook een aanvullend meetnetwerk dat door zijn realtime informatie complementair is met de huidige metingen. Om de IoW sensoren te calibreren, maakt het project gebruik van multipametersondes die VMM gebruikt voor specifieke projecten en voor het opvolgen van incidenten. 

De permanente en realtime datastromen die onze sensoren zullen genereren maken gebruik van algoritmes en modellen om alle relevante data te verwerken en te vertalen naar bruikbare beleidsinformatie. De output van die algoritmes zal straks helpen om acties in het waterbeheer nog beter te ondersteunen, zoals: captatie van water in periodes van droogte, peilsturing aan de hand van sensormetingen, evaluatie van de impact van riooloverstorten op het ontvangende oppervlaktewater, optimalisatie van innamestrategie van oppervlaktewater voor de productie van drinkwater, koelwater of proceswater, … De bedoeling is om waar mogelijk aansluiting te zoeken bij bestaande platformen.

Sensortechnologie voor testen van waterkwaliteit
In een eerste fase heeft IoW Flanders vier sensoren geplaatst voor een eerste leercyclus. Greja Brom-Verheijden, senior R&D-ingenieur bij imec Nederland (Holst Centre): “Drie sensoren staan in rivieren in West-Vlaanderen voor het meten van verzilting. De vierde staat in Aartselaar in een zuiveringsinstallatie van Aquafin. Die hebben we bewust in het vuile rioolwater gezet, zodat we meteen in een extreme omgeving kunnen testen. Net na de filter voor grofvuil, om mechanische schade te vermijden, maar nog vóór de eigenlijke zuiveringsstappen .”

Met het oog op verdere opschaling is het belangrijk om een aantal waterkwaliteitsparameters te testen met een generieke sensor, onafhankelijk van de specifieke use case. Greja Brom-Verheijden: “Elke sensormodule bestaat uit een kleine printplaat (pcb) met een sensorchip erop. Deze is gecoat met epoxy op de plaatsen die niet in aanraking mogen komen met water.” Qua functionaliteit meet elke sensor de geleidbaarheid (electrical conductivity, EC), temperatuur en pH. De oxidatie-reductie potentiaal (ORP) en nitraat staan nog als aanvullende optie op het lijstje. “ORP kan een belangrijke toevoeging worden voor het analyseren van zaken als zuurstofgehalte. Een laag redoxpotentiaal geeft namelijk aan dat er veel zuurstof wordt geconsumeerd. Ook willen we de ORP-waardes gebruiken voor de correcte interpretatie van de data van de pH-sensor.”

Imec-sensor ontwikkeld voor het IoW Flanders-project.

Imec-sensor ontwikkeld voor Internet of Water Flanders

De pH-sensor zelf is gepatenteerde imec-technologie en werkt met een meet- en referentie-elektrode. De referentiemeting gebeurt in een micro-reservoir op de chip dat in verbinding staat met het te analyseren water. Om een betrouwbare meting te garanderen, moet rekening gehouden worden met de afwijkingen die met de tijd onvermijdelijk optreden in de referentiemeting.

Greja Brom-Verheijden: “De pH-sensor is onderhevig aan zogenaamde sensordrift: het optreden van afwijkende metingen door de levensduur van de sensor. Dergelijke degradatie ontstaat door het verschil in samenstelling van de referentievloeistof. Hoe groter het verschil tussen meet- en referentievloeistof, hoe sneller allerlei stoffen gaan migreren van en naar het micro-reservoir en hoe meer je moet compenseren voor de veranderde samenstelling van de referentievloeistof.”
Ook kunnen afwijkingen optreden door aantasting van elektrodes door afzetting van vuil water. Maar, en dit lijkt tegenstrijdig, ook van té zuiver water gaan de sensoren sneller verouderen. Greja Brom-Verheijden: “Bijvoorbeeld in zuiver grondwater is het concentratieverschil met de referentievloeistof groter (grotere diffusie) en krijg je dus meer sensordrift. Ook gaan de metalen van de elektrodes sneller oplossen in zuiverder water, wat een extra degradatie veroorzaakt.”
Het compenseren voor sensordrift doet imec in de software bij het interpreteren van de doorgestuurde ruwe data. Zo ook de interpretatie van de EC-waarden. Greja Brom-Verheijden: “De EC-sensor is gebaseerd op vier elektroden die impedantie meten. Door een kleine wisselstroom te zetten op de buitenste elektrodes en vervolgens de weerstand te berekenen uit het resulterende voltage op de binnenste elektrodes, krijg je een maat voor de hoeveelheid ionen in het water.”
EC-metingen zijn relatief nauwkeurig en ook vrij robuust. Anders dan bv. de pH-metingen hebben ze minder last van sensordrift of afwijkingen. De ruwe data, veranderingen in de EC-waardes, vertellen dus dat er ‘iets’ aan de hand is, maar daarmee weet je nog niet ‘wat’.
Voor een inhoudelijke analyse is contextuele informatie nodig. Of data van omliggende sensoren. Als aanpalende sensoren synchroon reageren, kan je bijvoorbeeld de evolutie van een vervuiling of ander event opvolgen en is de kans ook klein dat een afwijkende meting het gevolg is van sensorfalen. Omgekeerd kan je mogelijk foutief werkende sensoren herkennen, en opnieuw kalibreren, als ze de enige zijn die zonder aanwijsbare reden afwijkende signalen geven.

Netwerk- en data-infrastructuur voor fijnmazig testen van een aantal waterkwaliteitsparameters
Al deze data-uitwisseling en -interpretaties vormen de andere expertisedomeinen die imec inbrengt in het IoW Flanders-project. De in het water gepositioneerde sensoren zijn via een kabel verbonden met een meetstation. Dit toestel aan de oppervlakte kan de data van de sensoren draadloos doorsturen.

Bart Braem, senior business developer bij IDLab, een imec-onderzoeksgroep aan de Universiteit Antwerpen: “Voor de communicatie doen we beroep op sensornetwerken (low-power wide-area networks, LPWAN), omdat die het best geschikt zijn voor betrouwbare laagvermogencommunicatie. Daarbinnen hebben we nog de keuze tussen een aantal standaarden, zoals LoRa, SigFox en NarrowBand IoT (NB-IoT). Die zitten in het standaardaanbod van zowat elke grote telecomoperator in Vlaanderen, maar hebben elk hun economische en technische voor- en nadelen. Uiteindelijk moeten we er een kiezen en daarop onze protocollen baseren.”
Om die keuze te maken heeft imec-IDLab een zogenaamde ‘netwerktester’ gemaakt. Bart Braem: “Onze netwerktester is uitgerust met zes antennes en de nodige radiochips om alle kandidaat-communicatiestandaarden te ontvangen van elke provider. Hiermee gaan we de verschillende netwerken testen in heel Vlaanderen. In parallel voeren we ook communicatietesten uit met de sensoren en niet alleen de netwerktester. Daarna kunnen we objectief kiezen welke standaard en provider de beste dekking en meest betrouwbare resultaten geven.”

Netwerktester waarmee het IoW Flanders-project over heel Vlaanderen het spectrum zal scannen om de geschikte draadloze communicatietechnologie en -provider te selecteren.

En daarmee is het verhaal nog niet helemaal rond. Boven op de standaard protocollen zal imec ook extra algoritmes programmeren om de betrouwbaarheid van de draadloze communicatie te monitoren en te verbeteren, zodat zeker de vereiste data op de juiste plaats terecht komt.
Bart Braem: “De sensoren leveren via een kabeltje ruwe data aan het meetstation en moeten van daaruit naar de cloud zodat je er ook effectief nuttige dingen mee kan doen. Dit op zich eenvoudig gegeven zorgt in de specifieke context van Internet of Water Flanders voor een reeks uitdagingen. De sensoren en meetstations staan in relatief lastige omgevingen. Vaak op plekken met veel begroeiing die de draadloze communicatie kan hinderen. Plekken die ook niet altijd eenvoudig bereikbaar zijn om onderhoud of herstellingen uit te voeren. Robuustheid van de datastroom is daarom belangrijk.”

De sensoren zullen standaard elk kwartier meetresultaten doorsturen. Een frequentie die vanop afstand hoger of lager kan ingesteld worden. Bovendien is het streefdoel om sensor én meetstation een half jaar te laten werken op één batterijlading. Waardoor je robuustheid dus niet kan in de hand werken door het vermogen op te schroeven. Daarom maakt dit project gebruik van het imec OCTA-platform: een intern ontwikkeld platform om robuust en met laagvermogen IoT-sensoren data te laten omzetten naar de cloud.

Philippe Michiels, technisch- & data-architect bij imec City of Things: “Een adequaat design van de datastroom is cruciaal in dit hele project. In eerste instantie wil je de datastroom zo compact mogelijk houden en toch een volledig datamodel overhouden aan het eind.”

Daar komt heel wat bij kijken. Bijvoorbeeld hoe je onderbrekingen opvangt door sensoren die tijdelijk niet functioneren of in onderhoud zijn. En hoe je betrouwbare referentiedata garandeert waarop je je verdere analyses en kalibraties baseert. Philippe Michiels: “Van VITO leerden we dat het een enorm verschil kan maken wanneer een sensor een halve meter of minder van plaats verandert in het water. Dat zijn aspecten waar je dus rekening mee moet houden bij metingen op langere termijn of wanneer een sensor bijvoorbeeld wordt teruggeplaatst na onderhoud of herstelling.

Behalve robuustheid en betrouwbaarheid, is ook compatibiliteit belangrijk. Zo zal IoW werken met gangbare Europese standaarden, zoals NGSI, om interoperabiliteit te garanderen met andere systemen. Zodat bijvoorbeeld data uit de IoW-sensoren gecorreleerd kunnen worden aan de bestaande data van VVM (bijvoorbeeld multiparametersondes) en andere partijen.

Dat vraagt een gedegen analyse van hoe je bijvoorbeeld de verwerking van de gegevens doet. Philippe Michiels: “De multiparametersondes die VMM gebruikt hebben ingebouwde intelligentie voor bijvoorbeeld kalibratie. Bij de imec-sensoren gebeurt de kalibratie verderop in de datastroom. Deze en andere vaak subtiele verschillen in de verwerking van de data moet worden opgevangen door een robuust IT-design. Uiteindelijk moet het IoW Flanders project een data-architectuur opleveren waarin elke stakeholder op een efficiënte en veilige manier de eigen data kan capteren, kalibreren en bewerken.”

Ook is er nog de beslissing over wat je allemaal wil opslaan en voor hoe lang. Dataopslag vraagt de nodige resources en gezien het volume aan gegenereerde data is een doordachte retentiestrategie een must. En daarbij zijn niet alleen technische en bedrijfsmatige afwegingen van tel. Als de data bijvoorbeeld worden gebruikt voor beleidskeuzes, dan moet je ook rekening houden met het wettelijke kader van welke data je wel en niet mag vernietigen.

De uitdagingen zijn niet altijd technologisch
Al van bij de start is dus duidelijk dat de bredere context erg belangrijk is. En dat uit zich op heel wat domeinen.
Greja Brom-Verheijden: “Zo vroeg Aquafin ons om de sensor bij hen op een specifieke plaats te zetten, omdat die veiliger was voor hun personeel. Op de plek waar we de sensor eerst wilden plaatsen, was er een te groot risico om bijvoorbeeld de sensor te inspecteren op vervuiling, omdat het personeel daar met twee moest zijn en beschermingsmiddelen moest dragen vanwege gas dat vrij komt uit de riool.”
Bart Braem: “Je moet ook rekening houden met onderhoud van de bermen waarin je je meetstations plaatst. Daar wordt namelijk geregeld het gras en de begroeiing gemaaid en je wil niet dat je apparatuur dan beschadigd raakt.”

Philippe Michiels: “Ook is de schaalgrootte een factor die je niet uit het oog mag verliezen. Als er straks meer dan tweeduizend sensoren over heel Vlaanderen elk half jaar een onderhoud of een nieuwe batterij nodig hebben, zijn dat gemiddeld zowat twintig sensoren per weekdag. Dat vereist een goed georganiseerde logistiek.”
Het goede nieuws is dat de juiste expertise aan boord is. Dankzij de kennis van de consortiumpartners, aangevuld met straks private aanbestedingen, zal er de komende jaren voor het eerst een model ontstaan dat op elk moment een accuraat beeld geeft van diverse aspecten van waterkwaliteit over heel Vlaanderen.

Dank je voor je inschrijving!