現場水質測試儀

孫成昊 陳建明

（華北水利水電學院電力學院，河南 鄭州450011）

現場水質測試儀

孫成昊 陳建明

（華北水利水電學院電力學院，河南 鄭州450011）

設計了一款水質測試儀，用于現場對水質進行快速測試。測試儀采用基于ARM Cortex架構的STM 32F107作為控制器，在數據處理中預留大量系統后期擴展資源，添加GPRS收發器和北斗BD2+GPS雙系統模塊，保證實時性的數據傳輸。通過檢測色敏傳感器對水反射光的快速比對，使得測試儀測量結果滿足項目設計的要求。

現場快速測試；STM 32F107；BD2+GPS雙系統模塊

對于當今越來越復雜的水環境問題，尤其是突發性污染事件和非常態條件下的應急監測和現場監測，實時、原位、快速獲取分析測試數據和相關信息顯得尤其重要。本項目水質檢測儀正是基于這一需求，力求在復雜的現場環境下能夠簡單快捷的實現對水質污染物可靠準確的測定。

1 測試儀硬件結構

1.1 測試儀總體結構

系統選用STM32F107作為控制器。STM32107是一款基于ARM Cortex架構，低功耗，最高運行頻率可達72MHz，內部集成了高精度ADC及高頻脈沖計數器，并預留大量系統后期擴展資源。

測試儀的GPRS收發器選用（華為GTM900B/C模塊超TC35/ DTU/GSM工業級開發版/139），收發器完全符合GPRS Class 12規格要求，Aero采用體積僅為8×8厘米的32只接腳小型LGA封裝，它通過USART接口與STM32F107通信。FLASH芯片選用了AT45DBI6IB，容量為2MB，它通過SPI接口同MCU通信。LCD選用中文字庫320×240液晶彩屏。

1.2 分模塊具體實現

電源部分采用芯片aoz1016，輸入電壓4.5 V～16 V，能在-40度到85度的環境下工作，輸出電壓值0.8 V到輸出電壓，最大提供電流為2A。

聲光指示在開機或者錯誤操作下讓蜂鳴器發出響聲，來提示下一步動作。在電源通電情況下電源指示燈常亮。其他備用指示燈6個，可以指示不同的操作狀態。

溫濕度傳感器采用的是AM2321，測量范圍為-40度到80度，供電電壓為2.6 V到5.5 V之間。有單總線和IIC總線兩種通信方式。

其中PA4是ARM芯片的D/A轉換輸出接口，采用先用DA轉換得到穩定的模擬電壓，再通過射極跟隨來增大其負載能力，這樣保持了輸出電壓的穩定。

藍牙采用的是串口通信，藍牙功能的實現可以使儀器與打印機連接起來，使打印更方便，也節省了一些連線的麻煩。在近距離時也可以通過藍牙給手機傳輸測量結果等文件。

ARM芯片支持USB主從模式，可以實現雙向通信。既可以通過接口與PC機連接通信，也可以和U盤進行文件傳輸。

2 北斗BD2+GPS雙系統定位

為了更好地適應外部條件，采用北斗BD2+GPS雙系統定位。儀器采用UM220模塊，模塊結構圖如圖1所示：

圖1 UM220結構圖

模塊通過串口連接到處理器，并通過串口來控制模塊，并從模塊接受NMEA數據，將提取的數據導入ARM中。

3 水質測試儀檢測

3.1 檢測方法

朗伯·比爾定律中在一定的波長下，溶液中待測物質的濃度C與吸光度A呈線性關系

檢測系統為采用全色分析技術的測試儀，RGB色度傳感器芯片將可見光全波長顏色系統的色度空間的各項參數進行量化，內置標準工作曲線和相應的分析程序，通過微電腦控制器的積分整合和數模轉換，快速完成檢測。

3.2 數學模型

數據采集：首先采集無測試管時的RGB三基色數值，然后采集有測試管時的RGB三基色數值。有測試管時的RGB數值與無測試管時的RGB數值分別做比值運算得到R比、G比、B比。對R比、G比、B比數值做歸一化處理，得到RGB的分量值。

建立標準色度空間：由于RGB數值做了歸一化處理，因此任意2基色都完整的表達了測試管的色度（第三種基色可以從：R+ G+B=1求得）。為此可以建立一個二維色度空間，用以描述化學反應產生的色度變化。采集標準色標管數值在二維色度空間建立標準色度曲線。

測算待測物數值：采集待測物RGB數值。其RGB數值在二維色度空間表示為一個點。計算出此點距離標準色度曲線上最近的點所對應的值，即為待測物含量數值。

3.3 數據庫結構

儀器共有128個參數，每個參數共有256級，也就是256組數據。R，G，B，C四個數據為一組，每個數據占用兩個字節。數據范圍：16進制0～FFFF，十進制為0～65536。數據顯示采用3個字節。34A105FF表示數據為：34.105，A表示小數點。為了數據內存尋址簡單，數據顯示也采用三個字節，最后五個字節為無效。因此每級需16個字節完整表示。共使用內存128×256×16= 524288個字節，也就是512K字節（4Mbit內存）

3.4 數據庫數據采集

3.4.1 空白平均值計算

不插任何試管，測得R、G、B、C共8組數據。去掉一組最大值，去掉一組最小值，還剩6組數據。

每組數據計算出：

做R、G、B的平均值

6個R=∑Ri`/6 i=1，2，3…6

6個G=∑Gi`/6 i=1，2，3…6

6個B=∑Bi`/6 i=1，2，3…6

得到空白R、G、B三個平均值數據。

3.4.2 標準色標試管平均值計算

插入標準色標試管，測得R、G、B共8組數據。去掉一組最大值，去掉一組最小值，還剩6組數據。依照前面方法，計算出色標試管平均值。

3.4.3 做以下計算

設r0 g0 b0為空白三基色平均數值

ri gi bi為標準色標試管三基色平均數值

因為亮度信息對采集的數據并不重要，因此計算時我們采用歸一法處理數據。

3.4.3.1 計算空白三基色分量值：

r0`=r0/（r0+g0+b0）*C g0`=g0/（r0+g0+b0）*C b0`=b0/（r0+g0+ b0）*C

3.4.3.2 計算標準色標試管三基色分量值：

ri`=ri/（ri+gi+bi）*C gi`=gi/（ri+gi+bi）*C bi`=bi/（ri+gi+bi）*C

3.4.3.3 做運算：

Ri`=C+r0`-ri`Gi`=C+g0`-gi`Bi`=C+b0`-bi`

其中C是為了不產生小數而設置。初步擬定C=10000或C= 8192（213）

得到的Ri`，Gi`，Bi`數值即為空間第i個點的標準數據。

用標準色標管測得的標準數據存放在數據庫中，以備查詢。

4 結束語

文中設計的水質檢測儀，針對現場水質快速檢測的要求，在保證水質檢測的快速與精準的條件下，能夠在現場監測的實際應用中，滿足對于時間和空間特性極強，隨機變化明顯，要求監測頻率較高的應急檢測，與傳統的實驗室檢測相比，現場檢測取得的一個及時的，好的答案能取得更多的價值，實現快速與準確的完美平衡。

[1]陳帥，薛曉中等.SINS/北斗/GPS組合導航系統研究[J].火力與指揮控制，2009，34（6）.

[2]程鵬飛，李瑋，秘金鐘.北斗導航衛星系統測距信號的精度分析[J].測繪學報，2012，41（5）.

TH83

A

1671-0037（2014）02-88-1.5

2014年2月17日。

陳建明（1963-），男，教授，研究方向：自動化及嵌入式教學與研究。

孫成昊（1988-），男，碩士研究生，研究方向：模式識別與智能系統。