水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王英，陳聰偉，肖金球*

（1.江蘇省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，江蘇無錫214073；2.國家物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)檢中心，江蘇無錫214073；3.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王英1，2，陳聰偉3，肖金球3*

（1.江蘇省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，江蘇無錫214073；2.國家物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)檢中心，江蘇無錫214073；3.蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

為了實(shí)時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)，準(zhǔn)確掌握水文信息，設(shè)計(jì)了基于ARM嵌入式技術(shù)的水質(zhì)多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM處理器920TS3C2410為主控器，運(yùn)用最小二乘法溫度補(bǔ)償原理及嵌入式技術(shù)對水質(zhì)多參數(shù)進(jìn)行采集、處理及分析，并通過GPRS模塊將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測站。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)多參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

ARM；多參數(shù)；920TS3C2410；溫度補(bǔ)償；GPRS

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類不合理的開發(fā)與建設(shè)給地球水文環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，排污量日益增加，環(huán)保意識薄弱等眾多因素導(dǎo)致多水域富營養(yǎng)化，水污染嚴(yán)重，治理水污染迫在眉睫。因此，有必要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r反映水質(zhì)動態(tài)變化、具有報警功能的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[1]，以及時了解水質(zhì)狀況，對水污染迅速做出預(yù)警，方便環(huán)保部門對水環(huán)境的治理。文中研究的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能快速采集、處理水質(zhì)多參數(shù)數(shù)據(jù)，而且可以將監(jiān)測結(jié)果實(shí)時傳送到監(jiān)測站進(jìn)行水污染分析。其成本低、功能完善、簡單便捷，為水污染預(yù)防和治理提供有力的幫助。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

水與人類的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。水質(zhì)指標(biāo)主要有：溫度、pH、DO（溶解氧）[2]等。良好水質(zhì)的溫度周最大溫升≤1，周最大溫降≤2；pH為6～9；溶解氧≥飽和率90%（或7.5 mg/L）等。

表1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

為了有效預(yù)防水污染，需要及時、準(zhǔn)確地了解水質(zhì)參數(shù)。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能需求：（1）多參數(shù)監(jiān)測。系統(tǒng)需要對水質(zhì)溫度、pH、DO、濁度等多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[3]。（2）實(shí)時監(jiān)測。每隔一段時間系統(tǒng)自動對水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測一次，采集間隙系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與傳輸。監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時存儲、顯示，并通過GPRS模塊傳送至監(jiān)測站終端；水質(zhì)監(jiān)測站能夠自主設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在監(jiān)測參數(shù)超標(biāo)時及時報警。

系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的分辨率、準(zhǔn)確度等檢測參數(shù)，整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)通過多個水質(zhì)傳感器實(shí)時獲取水質(zhì)多參數(shù)信號。水質(zhì)傳感器獲取的信號將被傳送至調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對傳感信號的優(yōu)化、濾波處理。A/D模塊進(jìn)行高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過ARM處理器920TS3C2410將信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償、分析和存儲，最后通過GPRS將水質(zhì)多參數(shù)信號傳送到監(jiān)測站進(jìn)行分析。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 DO硬件電路

2.1 參數(shù)調(diào)理電路

監(jiān)測系統(tǒng)中接入了多路傳感器對水質(zhì)參數(shù)信號進(jìn)行采集，但這些信號多為電流信號，存在漂移失真、噪聲干擾等，為此筆者在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊之間設(shè)計(jì)了多路信號調(diào)理電路，對采集信號進(jìn)行除噪和I/V轉(zhuǎn)換等。由于多路調(diào)理電路設(shè)計(jì)原理類似，文中只對DO采集調(diào)理電路作詳細(xì)介紹。

2.1.1 DO傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)采用極譜式薄膜溶解氧電極作為傳感器。黃金片作為陰極，銀片為陽極，KCl溶液作為電解液，頂端以聚四氟乙烯薄膜覆蓋。由于外加極化電壓使得兩電極間存在電位差，如果待測液中有氧存在，其則通過聚四氟乙烯薄膜在陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。反應(yīng)式如下

在一定條件下，反應(yīng)電流的大小與水中氧的分壓有關(guān)，而水中氧分壓與水中溶解氧成正比，所以，水中溶解氧的濃度可以由傳感器輸出電流的大小來表示。

2.1.2 DO采集調(diào)理電路

圖2 DO采集調(diào)理電路

如圖2 DO采集調(diào)理電路所示，陽極（Ag端）由穩(wěn)壓管、電容和電位器構(gòu)成激勵源電路，為DO傳感器的正負(fù)電極提供極化電壓，極化電壓的大小可由電位器P1調(diào)節(jié)。當(dāng)陽極輸出的電壓滿足要求時，水中的氧在Au端發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生μA級電流。由于傳感器輸出的是較弱的電流信號，極易受到噪聲等信號影響，因此，需要對傳感器輸出的弱電流信號進(jìn)行無損放大。由于傳感電極的內(nèi)阻較大，所以，采用輸入阻抗較高的CA3140運(yùn)算放大器作為第一級前置放大器。CA3140具有較高輸入阻抗、增益高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少信號衰減實(shí)現(xiàn)弱電流的第一級放大。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入是電壓信號，第二級調(diào)理部分采用低功耗儀表放大器AD627實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換及第二級電壓程控可變倍數(shù)放大，將電流轉(zhuǎn)換到A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的電壓范圍。AD627的失調(diào)漂移、增益漂移和增益誤差都較低,因此,可最大程度消除系統(tǒng)中的直流誤差且AD627有較具有好的共模抑制比（CMRR），AD627可很好的消除傳輸線干擾和傳輸線諧波噪聲，從而確保了在放大過程中信號質(zhì)量不會受到影響。

實(shí)驗(yàn)測試顯示，輸出的信號中攜帶了一定量的高頻毛刺，致使水質(zhì)參數(shù)信號不穩(wěn)定，因此，在調(diào)理電路中筆者設(shè)計(jì)了低通濾波電路用以消除高頻雜波，提高信號精度。低通濾波電路如圖3所示。其傳遞函數(shù)為

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以調(diào)節(jié)R1、C1設(shè)置低通濾波器允許通過的最大頻率值。水質(zhì)信號在測量過程中易受到外界的工頻干擾[5]，因此，設(shè)計(jì)中加入50 Hz的工頻陷波電路。50 Hz工頻陷波電路如圖4所示。

圖3 低通濾波電路

圖4 50Hz工頻陷波電路

2.2 系統(tǒng)抗干擾與供電系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中水質(zhì)信號除了受50 Hz工頻等噪聲干擾，系統(tǒng)本身也存在諸多電源干擾、信號通道干擾等。對此文中設(shè)計(jì)抗干擾措施來抑制干擾源：PCB板圖設(shè)計(jì)過程中，盡量加粗電源線與地線，保證電源線、地線走向與信號傳遞方向一致，增強(qiáng)抗干擾能力；數(shù)字地與模擬地分開連接，從而避免模、數(shù)電路之間的回路干擾。

2.2.2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要，并且此監(jiān)測系統(tǒng)工作在室外，采用交流供電較為麻煩等諸多環(huán)境因素的考慮，檢測系統(tǒng)部分采用太陽能供電[6]。這樣既能解決供電中斷帶來的不便，又環(huán)保節(jié)能。太陽能供電系統(tǒng)如圖5所示。太陽能充電控制器能夠保護(hù)蓄電池，避免其過度充電以及負(fù)載過大造成的過度放電。蓄電池能在有光照時將太陽能電池板采集的電能儲存起來，在需要的時候提供給負(fù)載。

圖5 太陽能供電系統(tǒng)

3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

水質(zhì)傳感器易受敏感參量——水溫的影響，產(chǎn)生溫漂誤差，因此，傳感器必須經(jīng)過溫度補(bǔ)償校正，使測量值最接近實(shí)際值。系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于運(yùn)用最小二乘法原理將傳統(tǒng)的硬件溫度補(bǔ)償改進(jìn)為軟件補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硬件溫度的調(diào)試?yán)щy，精度低的缺點(diǎn)。

3.1 最小二乘法原理

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)字優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。筆者在研究兩個變量（X、Y）之間的關(guān)系時，通常可以得到多個成對數(shù)據(jù)組（X1Y1～XnYn），將這些數(shù)據(jù)描繪在X～Y坐標(biāo)系中，如果發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)在一條直線附近，可令這條直線方程為

其a0、a1為任意實(shí)數(shù)。

為了建立這條直線方程就要確定a0、a1，將實(shí)測值yi與yj離差的平方和最小作為“優(yōu)化判據(jù)”。令

把（1）式代入（2）式，得

求解出a0、a1代入（1）式，此時（1）式的方程就是回歸的元線性方程。在回歸過程中，回歸的關(guān)聯(lián)式不可能全部通過每個回歸數(shù)據(jù)點(diǎn)X1Y1～XnYn，為了判斷關(guān)聯(lián)式的好壞，可借助相關(guān)系數(shù)“R”，統(tǒng)計(jì)量“F”，剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差“S”進(jìn)行判斷；“R”越趨近于1越好；“F”的絕對值越大越好；“S”越趨近于0越好。

3.2 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，需要對DO（pH、濁度）等傳感器采集信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此處以DO參數(shù)溫度補(bǔ)償為例。在溫度傳感器測量范圍內(nèi)確定m個溫度（T1，…，Tm）作為設(shè)定點(diǎn)，在DO傳感器的測量范圍內(nèi)確定n個DO（DO1，…，DOn）作為設(shè)定點(diǎn)，DO與T產(chǎn)生在各個設(shè)定點(diǎn)的輸出值見表2。

在不同的溫度T1，…，Tm下分別對DO測量值進(jìn)行靜態(tài)設(shè)定，獲得了對應(yīng)不同溫度狀態(tài)下的m條DO-UDO特性組，同時也獲得了對應(yīng)于不同溶解氧量的溫度傳感器的n條T-UT特性組。

采用最小二乘法原理，對上述兩個特性組進(jìn)行多次擬合計(jì)算，得出補(bǔ)償系數(shù)[7]。將補(bǔ)償方程存儲在溫度補(bǔ)償子程序模塊中。ARM控制器采集到水質(zhì)多參數(shù)的電壓信號后，調(diào)用水質(zhì)參數(shù)各自的溫度補(bǔ)償子程序，實(shí)現(xiàn)對信號的實(shí)時校準(zhǔn)。

表2 標(biāo)定點(diǎn)的輸出值

圖7 信號采集流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理等；對GPRS模塊進(jìn)行編程，在GPRS網(wǎng)絡(luò)下傳送、接收數(shù)據(jù)。其主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含：水質(zhì)信號采集程序模塊和數(shù)據(jù)處理程序模塊2個部分。

4.1 水質(zhì)信號采集程序模塊

信號采集的主要流程如下：采集定時[8]（采集定時時間有MCU來分配）時間到達(dá)后，ARM控制器發(fā)生采集命令，多路水質(zhì)傳感器上電初始化，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、處理、發(fā)送，發(fā)送結(jié)束后控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，關(guān)閉傳感器電源。這樣既滿足了水質(zhì)信號的實(shí)時采集，又降低了系統(tǒng)的功耗。信號采集程序流程圖如圖7所示。

4.2 數(shù)據(jù)處理程序模塊

數(shù)據(jù)處理程序模塊分為2個部分：應(yīng)用程序和嵌入式操作系統(tǒng)程序。應(yīng)用程序包含水質(zhì)多參數(shù)信號處理、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸；嵌入式操作系統(tǒng)包含控制按鍵、LCD和GPRS傳輸模塊驅(qū)動程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的嵌入式Linux軟件平臺是在PC機(jī)上REHL4 Linux操作系統(tǒng)下建立的。采用arm-Linux-gcc-2.95.3作為交叉編譯工具。Linux軟件平臺建立包含以下4部分：（1）建立交叉編譯環(huán)境；（2）制作Bootloader；（3）移植Linux內(nèi)核；（4）根文件系統(tǒng)編寫[9-10]。

4.2.1 GPRS編程設(shè)計(jì)

GPRS程序部分主要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)多參數(shù)數(shù)據(jù)的接受和傳輸。GPRS模塊通過RS－232串口與ARM處理器的UART0口連接，UART口的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)采用了循環(huán)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，環(huán)形緩沖區(qū)通過一個線性數(shù)組和指針實(shí)現(xiàn)操作。GPRS編程設(shè)計(jì)采用AT指令來實(shí)現(xiàn)對GPRS模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。部分AT指令如表3。

表3 部分AT指令

5 系統(tǒng)測試

在溫度為0～40℃，相對濕度小于90%的室外環(huán)境下，對整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)測試，其運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)快。筆者對蘇州新區(qū)某河流定點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測，4次測試參數(shù)如表4所示。由表可知，監(jiān)測系統(tǒng)所測得參數(shù)基本能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，DO偏大與10%，后找到誤差原因：DO傳感器進(jìn)入水中水位深度不一致。分析水質(zhì)參數(shù)可以知道，該河流點(diǎn)溶解氧偏低，藻類過度繁殖，水質(zhì)富營養(yǎng)化，需要進(jìn)一步治理。

表4 測試參數(shù)表

6 結(jié)語

該系統(tǒng)以ARM處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)多參數(shù)信號的采集、存儲和傳輸。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用保證了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵在于多個水質(zhì)參數(shù)信號的采集、調(diào)理，此系統(tǒng)針對每一個水質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)了合理的調(diào)理電路，溫度補(bǔ)償措施，保證了采集信號的準(zhǔn)確性。另外系統(tǒng)中采用太陽能電池供電，其具有低功耗、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定、實(shí)時測量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，具有很好的市場應(yīng)用前景和較高的環(huán)保推廣價值。

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Design of water-quality parameters real-time monitoring system

WANG Ying1，2，CHEN Congwei3，XIAO Jinqiu3
（1.Jiangsu Electronic Information Product Quality Supervision and Inspection Institute，Wuxi 214073，China；2.China National Quality Supervision&Test Center for the Internet of Things，Wuxi 214073，China；3.School of Electronic＆Information Engineering，SUTS，Suzhou 215009，China）

In order to monitor water-quality parameters in real time and accurately grasp the hydrologic information，we designed a water-quality parameters real-time monitoring system based on ARM embedded technology. Combined with embedded technology and temperature compensation of least-square method，the system employing the ARM processor 920TS3C2410 as the core collected，processed and analyzed the water-quality parameters, and transferred the data to the monitoring stations through the GPRS modules.Experimental results show that this system can accurately detect water-quality parameters in real time and operate stably.

ARM；multi-parameter；920TS3C2410；temperature compensation；GPRS

TP368.1

A

1672－0687（2015）01－0054－05

責(zé)任編輯：艾淑艷

2014－07－19

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研前瞻性項(xiàng)目（311111603）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CXZZ14-1284）

王英（1963-），女，江蘇無錫人，高級工程師，研究方向：EMC，電波暗室性能測試研究。

*通訊聯(lián)系人：肖金球（1963-），男，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。