水質快速檢測設備的硬軟件設計及實現

高 超，胡 孟，吳國榮，宋衛坤

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212003；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

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水質快速檢測設備的硬軟件設計及實現

高 超1，胡 孟2，吳國榮1，宋衛坤2

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212003；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

[目的]研制水質快速檢測設備，實現水質的現場多指標快速檢測。[方法]對設備的硬件及軟件進行了設計。硬件設計包含了MP2303芯片、鋰電，Cortex-M3型ARM微控制器、樹莓派顯示系統、光頻轉換器等的設計；軟件設計則包含了軟件設置、項目選項、項目測量結果以及測量數據表格輸出等模塊的設計；并對水質快速檢測設備的可靠性進行了試驗檢驗。[結果]通過對該設計的設備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發出了水質快速檢測設備。用該設備與國家標準要求的設備同時測定某一河道水樣的5項指標結果發現，3個樣點水樣中鐵、氨態氮、氟化物、硝酸鹽和6價鉻含量的兩組數據值接近，無明顯差異。雖然國家標準法檢測下限比快測法高一個數量級，但快速設備的測定結果不影響操作員對水質的判斷，說明該水質快速檢測設備精密度高；兩種測定方法的穩定性比較，結果快速測定法的5個指標數據的相對偏差略高于國家標準法(3.92%)，但其測定結果能夠較好地滿足現場測定要求，說明該水質快速檢測設備穩定性良好。[結論]該水質快速檢測設備的檢測精度和穩定性較高，可滿足水質的現場快速檢測要求。

水質快速檢測；硬件設計；軟件設計

我國自然災害及突發事件頻發，容易對水環境造成破壞和污染。如地震容易造成污水管道破裂和污水外溢，或引發危險品的泄漏，造成水污染。另外，水體的流動性更是會擴大污染影響[1-2]。針對水環境污染，在第一時間現場對水質進行檢測，及時獲取相關數據，了解水質狀況，對確保飲水安全，指導抗災救災具有重要意義。

水質快速檢測設備可以實現水質的現場快速檢測。余立婷等介紹了水質快速檢測中的比色器法、光度計法以及國外的哈希法，指出國內檢測設備的檢測精度較低，國外哈希法的檢測結果精度較高，穩定性較好[3]。蘇慧等介紹了水質快速檢測盒與國標法在水質檢測中的應用，在精密度和準確度方面，水質快速檢測盒的檢測結果與國標法相比還有差距[4]。廖和琴等介紹了基于液滴分析技術的水質檢測儀器，其檢測指標較少，沒有清洗裝置，容易交叉干擾，影響檢測結果的準確性[5]。劉園園介紹了智能化便攜式水質檢測儀，檢測儀的檢測項目較少，必須連接工作電壓才能使用，不能滿足野外應急檢測的要求[6]。張磊等介紹了基于電極法的水質檢測儀，檢測儀的電極容易受損，影響檢測結果[7]。Yue LIAO等介紹了支持向量機(Support Vector Machine)法，通過記錄水中生物的行為數據來檢測水質，結果表明檢測時間較長，檢測精度低，可行性差[8]。

通過上述分析可以知道，雖然水質快速檢測設備種類繁多，但卻存在這樣或那樣的局限性，國外的產品如美國的哈希等檢測精度高，檢測速度快，且可以完成十幾甚至幾十項指標檢測，但設備及專用試劑昂貴，檢測成本很高。因此從減少對國外產品的依賴，降低檢測成本的角度考慮，研發具有自主知識產權的現場水質快速檢測設備，具有重要的技術意義和市場價值。

1 水質快速檢測設備的總體設計

1.1 設備構成

設備的構成主要包含4個方面：(1)電源系統，可以實現電源充電及電池(鋰電)單獨供電；(2)控制系統，采用STM32的ARM內核控制器，接受測試命令，控制LED燈波長，測量傳感器輸出頻率，并將頻率的數據傳輸給顯示系統；(3)顯示系統，采用觸控方式，可發出控制命令，并顯示數據；(4)測量系統，包括光源及光-頻率轉換器等。

1.2 控制策略

由觸摸屏發送測量控制命令，處理器接收命令，控制并發射相應波長的光束，光束經樣品池，由光-頻率轉換器接收。測試穩定后，光頻轉換器輸出頻率，經觸發器將頻率分頻，并對波形整形，輸入處理器。處理器通過定時器及外部中斷的方式，測出頻率值。該測試分為兩步，首先對樣品進行空白測量，再對加有試劑的水樣進行測試。2次測量的差值結合吸光度曲線，計算濃度值，并將濃度值通過串口發送到觸摸屏進行顯示。

2 詳細設計

2.1 硬件設計

(1)電源。電源系統設計如圖1所示。

外部12 V電源適配器，用于給設備供電及鋰電池充電。鋰電池輸出電壓為12 V，經DC-DC芯片MP2303后輸出5 V電壓，分為兩路：一路分接到低壓穩壓器AM1117-3.3，輸出3.3 V，用于控制系統及測量系統的供電；另一路分接于顯示系統。

(2)控制系統。控制系統采用基于Cortex-M3的STM32F103系列的芯片，該系列芯片是由意法半導體公司出品的32位ARM微控制器，其時鐘最高可達72 MHz，高于目前常用的NXP(恩智浦半導體)的LPC2136芯片(時鐘最高為60 MHz)，有效地增強了控制系統的工作效率。控制系統接收觸摸控制命令，控制光源發射相應波長，測量傳感器輸出頻率，并將頻率數據傳輸給顯示系統。該系統外設功能豐富，能夠滿足更多的使用需求；同時該系統擁有更多的低功耗模式，增強了設備的續航能力。系統除了包含MCU處理器外，還配有UART接口的驅動電路和PL2303的USB轉串驅動器，使控制系統的數據傳輸更加方便。

(3)顯示系統。設備采用樹莓派觸摸顯示系統，是基于Linux操作系統的MINI PC，并在MINI PC里安裝了顯示軟件。MINI PC通過相應軟件驅動樹莓派串口，使樹莓派的串口發送控制數據到STM32控制器中，從而接收STM32控制器中測量的數據，并將其在界面上顯示。樹莓派觸摸顯示系統具有性能好、功能齊全、成本低、體積小等優點，同時可以運行完整的操作系統，自帶較全面的接口，圖形性能強。樹莓派觸摸顯示系統體積較小，與其他系統的連接方便，減小了整個設備的體積,便于攜帶。樹莓派觸摸顯示系統的顯示效果如圖2所示。

(4)測量系統。測量系統主要包括LED陣列和光頻率轉換器兩個部分。LED陣列發射特定波長的光，并使光經過樣品池照射在光-頻率轉換器TSL238D上。其具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩定等優點，能夠有效增強水質快速檢測設備的工作壽命。目前的LED陣列主要包含了λ=520 nm與λ=640 nm波長的LED燈。LED陣列實物如圖3所示。

光-頻率轉換器用來測量LED陣列的光強度，其接收光后會輸出頻率，光的強度與頻率的高低成正比。測量系統采用D觸發器(data flip-flop)將光-頻率轉換器輸出頻率進行分頻，同時對波形進行調制，然后輸入到處理器中。處理器通過定時器及外部中斷的方式，測出頻率值。該設計采用了兩路單板設計，節約了成本，光-頻率轉換器原理如圖4所示。

在光-頻率轉換器PCB(印制電路板)設計中，必須先按照電路的流程安排各個電路單元的位置，使布局便于信號流通，同時盡量減少和縮短各元件之間的引線和連接，并盡可能使元件并行連接，從而便于裝焊，PCB設計圖如圖5所示。

在光-頻率轉換器的設計過程中，可通過測量圖5中TP1點下方的燈打開與關閉2種狀態下的頻率來進行調試，驗證設計的可行性。試驗測得燈打開時頻率為1.95 KHz，燈關閉時頻率為55.27 Hz，說明該設計可行，測試數據如圖6、7所示。

2.2 軟件設計

軟件設計即對觸摸顯示屏中運行的軟件進行設計，其功能模塊由軟件設置、項目選項、項目測量結果和測量數據表格輸出模塊組成。其中軟件設置主要是根據水質檢測設備的功能進行軟件程序的開發；項目選項指對水質進行測量的指標選項，可以根據現場水質的實際情況，合理選擇需要檢測的水質指標；項目測量結果即選測的水質指標的數據，在一定程度上反映了水質的狀況；設備將會根據測得的多組水質指標數據進行智能處理，以數據表格的形式在設備的顯示屏上顯示，從整體上評估水質的基本狀況。在模塊設計的基礎上，對軟件的操作流程進行優化設計，使軟件易于操作，運行效率高，操作流程如圖8所示。

(1)軟件設置。軟件設置以水質檢測設備的功能為基礎進行設計，主要包括串口號、波特率、停止位和校驗位的設置。通過對軟件的整體設計，增強數據的傳輸速率和質量，提高設備的整體運行效率。軟件的串口設置界面如圖9所示。

軟件的部分代碼如下：

void Settingdialog::fillPortsParameters()

{

QStringList comList;//串口號

QStringList baudList;//波特率

QStringList parityList;//校驗位

QStringList dataBitsList;//數據位

QStringList stopBitsList;//停止位

QStringList flowControl;

#ifdef Q_OS_WIN//如果是windows系統

currentSettings.protname = "COM1";

#else//如果是unix或者其他系統

currentSettings.protname = "ttyUSB0";

#endif

(2)軟件測量參數設計。軟件測量參數設計主要包括檢測項目、取樣體積、總體積、待測液體積和定容體積的設計。對檢測項目的各個測量參數進行詳細設置并進行檢測時，只需在軟件界面輸入檢測項目需要的各個參數，便可方便地得到需要的水質檢測結果。數據測量的流程分為3步，先對水樣進行相應測試項的空白測試；然后對水樣添加相應的試劑顯色后，進行樣品測試；最后將兩次測試的結果進行運算，計算出濃度值，并將濃度值通過串口發送到觸摸屏進行顯示。軟件測量界面如圖10所示。

軟件測量參數設計的部分代碼如下：

void Serial_Data::ConfigSetting()

{

QPalette pal;

pal.setColor(QPalette::WindowText， Qt::red);

ui->label->setPalette(pal);

ui->label_1->setPalette(pal);

ui->label_2->setPalette(pal);

QStringList List;

// List.append(tr(""));

List.append(tr("氨氮"));

List.append(tr("氟化物"));

……

model->setHeaderData(0，Qt::Horizontal，tr("編號"));

model->setHeaderData(1，Qt::Horizontal，tr("檢查項目"));

……

model->setHeaderData(4，Qt::Horizontal，tr("檢查日期"));

model->setHeaderData(5，Qt::Horizontal，tr("時間"));

3 試驗驗證

對所設計的設備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發出了水質快速檢測設備。為驗證水質快速檢測設備的檢測精度和穩定性，分別采用水質快速檢測設備與國家標準法，對某河道3個樣點的水中的鐵、氨態氮、氟化物、硝酸鹽氮和6價鉻指標進行了檢測試驗，并對2種方法的檢測結果進行對比分析(表1)。

從表1可以看出，2種方法的測試結果直觀分析數據接近，說明水質快速檢測設備的檢測精度較高。檢測設備對水樣的測定下限也在《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)的限量指標范圍內。

表1 水質快速檢測法與國家標準法檢測結果的比較 mg/L

注：測定的濃度為3次測定的平均值。

由表2可知，2種方法測得的水中鐵、氨氮、氟化物、硝酸鹽氮、6價鉻含量的平均值相差并不明顯，快速檢測法的相對偏差雖然較大些，但不影響測量結果的穩定性。

表2 水樣快速檢測法與國家標準法的穩定性比較

注：平均值為取樣3點所得數據平均值，平均偏差為取樣3點測得數據減去平均值后的絕對值再取平均值；相對偏差為平均偏差除以平均值。

通過對現場水質的檢測，并對2種方法測得的水質指標數據進行了合理的分析比較，結果表明該檢測設備的檢測精度和穩定性較好，其測定結果能夠較好地滿足現場水質快速檢測的要求。

4 結語

針對目前國內檢測設備檢測精度較低、國外檢測設備價格昂貴的現狀，對水質快速檢測設備進行了設計，研發了便捷式水質快速檢測設備。該設備硬件及軟件設計合理，便攜性強，檢測指標多樣，續航時間長，檢測速度較快，可靠性好，滿足了水質現場快速檢測的要求，具有較高的實用價值和推廣價值。

[1] 王芳.我國生活飲用水安全衛生與健康問題現況和對策[J].應用預防醫學，2014,20(5)：319-321.

[2] 許嘉寧，陳燕.我國水污染現狀[J].廣東化工，2014,41(3):143-144.

[3] 余立婷，趙振華，陶海強.幾種水質現場快速檢測方法的比較與優化[J].安全與環境工程，2013,20(3):73-76.

[4] 蘇慧，周紅，賴先志.水質快速檢測方法與國標法在水質檢測中的應用比較[J].中國衛生檢驗雜志，2011,21(5):1123-1126.

[5] 廖和琴.基于液滴分析技術的水質檢測儀器的設計[D]. 天津:天津大學，2012：6-10.

[6] 劉園園.智能化便攜式水質檢測儀的設計[J].電子科技，2013,26(11):135-138.

[7] 張磊，任妹娟，史云,等.便攜式多參數水質分析儀研制[J].安徽農業科學，2009,37(11):5324-5326.

[8] LIAO Y,XU J Y,WANG Z W.Application of biomonitoring and support vector machine in water quality assessment[J].Zhejiang Univ-Sci B(Biomed & Biotechnol),2012,13(4):327-334 .

Hardware and Software Design for Water Rapid Testing Equipment and Experiment

GAO Chao1, HU Meng2, WU Guo-rong1et al

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038)

[Objective] Water rapid testing equipment can be used to detect water quality indexes within a very short time. [Method] Equipment design including hardware and software design was described. The former consists of MP2303 chip, lithium battery, Cortex-M3 ARM micro-controller, Raspberry pie display system and light-to-frequency converter etc.. The latter consists of software setting, project option and testing data outputting etc.. Then the reliability of the rapid testing equipment was tested. [Result] Through appropriate connection of hardware and software, water quality rapid testing equipment was developed. The iron, ammonia nitrogen, fluoride, nitrate and 6 valence chromium content in three samples were compared, it was found that two groups of data have no obvious differences. Detection limit of national standard method is about one order of magnitude higher than fast measurement, but rapid equipment determination results does not affect the judgments of the operator on the water quality, which indicates the water quality quick detection device has high precision; The relative deviation of the 5 indexes of rapid determination method is slightly higher than the national standard method(3.929%), but the result can satisfy the requirement of the field test, which shows that the water quality quick detection device has good stability. [Conclusion] The equipment presents high testing accuracy and good stability, which meet the requirements of on-site water quality rapid testing.

Water rapid testing; Hardware design; Software design

十二·五科技支撐課題(2012BAJ25B04)：村鎮應急水處理關鍵技術及設備研發。

高超(1979-)，男，山東淄博人，博士，講師，從事檢測技術及裝備研究。

2015-11-11

S 220.2；X 853

A

0517-6611(2015)35-370-04