基于原位檢測技術的無線水質監測系統研究

陸萍藍 邵力行 張火明 田中仁

摘 ? 要：針對我國的水環境問題，水質監測系統布線困難、非原位和成本高等問題，基于原位檢測技術，設計了一種無線原位水質監測系統。該檢測方法為無損檢測，在水質取樣后原位檢測，使水質檢測更加接近真實。該儀器體積小，可單人操作，水質參數通過無線設備直接聯網，便于構建水質監測網絡。該儀器采用S7-200PLC作為控制器，通過無線數據終端通信及PLC接收器實現PLC和觸摸屏的遠程連接。通過軟硬件調試，能夠遠程實時操控并顯示設備及測試狀態，實現了無線原位水質監測的初衷。

關鍵詞：水質監測;原位檢測;無損檢測;無線數據;水質監測儀;PLC

中圖分類號：X853 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Wireless Water Quality Monitoring System Based

on In Situ Detection Technology

LU Ping-lan1，2，SHAO Li-xing2？覮，ZHANG Huo-ming2，TIAN Zhong-ren2

（1. Engineering Training Center，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;

2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Flow Measurement Technology，

China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;）

Abstract：In view of the water environment problems in China，the difficulty of wiring，water quality monitoring system，ex situ and high cost，this paper designs a wireless in-situ water quality monitoring system based on in-situ detection technology. The detection method is non-destructive testing，and the in-situ detection after water sampling makes the water quality detection more realistic. The instrument is small in size and can be operated by a single person. The water quality parameters are directly connected to the wireless device to facilitate the construction of a water quality monitoring network. The instrument uses S7-200PLC as the controller to realize remote connection between PLC and touch screen through wireless data terminal communication and PLC receiver. Through software and hardware debugging，it is possible to remotely control and display the device and test status in real time，realizing the original intention of wireless in-situ water quality monitoring.

Key words：water quality monitoring;in situ detection;nondestructive testing;wireless data;water quality monitor;PLC

人類在生活和生產活動中都離不開水，隨著我國經濟社會的飛速發展，水污染問題也成為普通大眾非常關注的熱點問題。近些年來媒體報道的關于企業違規排放污水造成水質環境惡化的新聞越來越多。研究證實，由飲用水水質不衛生引起的疾病已成為人類健康主要負擔之一[1]。目前國內水質自動監測技術及監測手段與國外先進水平相對落后，自動化水平較低，智能化水平也不高[2]。傳統的檢測方法采用現場采集樣本，送至實驗室檢測的方法。存在較多缺點，水樣在抽取或運輸的途中可能會被二次污染，水質檢測需要檢測多點的水質，測量人員的工作量大成本高。

水質監測發展方向是現場化和智能化。原位檢測技術可在采樣現場對某些待檢水參數或樣品進行檢查和測試，是一種無損檢測方法。越來越多的科研機構通過無線通信和原位檢測技術相結合的方式用于監測工作中[3]。李文龍等[4]使用原位檢測技術，完成了閉式葉輪五軸原位檢測路徑規劃與實驗驗證。李克偉等提出一種基于瞬發伽馬射線中子活化分析技術的填埋場有害元素成分的原位在線檢測方法[5]。

為使水質監測滿足智能化要求，現代化的計算機技術和通信技術來代替傳統的人工監測方式是當前重點研究領域。趙軍等基于ZigBee技術研發一個用于水質檢測的無線傳感網絡系統[6]。李宮等[7]提出了基于Android設備的便攜式水質檢測儀器。這些方法為水質檢測智能化提供一定的參考價值。

針對現有技術存在的缺陷和不足，本文提供了一種供室外使用的水質檢測系統及監測儀器，解決現有水質檢測系統與儀器存在的弊端，使水質檢測日常化、現場化和智能化。相較于趙軍、李宮等人提出的以單片機控制處理為核心，搭載時鐘模塊，模數轉換模塊，藍牙通信模塊，極小存儲卡模塊的水質檢測儀，所提出的基于原位檢測技術的無線水質監測系統，是以西門子公司的可編程控制器 S7-200作為控制器，通過智能控制器GPRS模塊實現PLC和觸摸屏的遠程通信和對水質的實時監測，系統組成合理，檢測數據準確，設備運行穩定。

1 ? 原位水質監測系統方案設計

水質監測系統的總體結構如圖1所示。

按照需要將水質監測儀布置在待測水域，到達指定點時，采集水質pH值、溫度等數據，并將采集到的數據按通信協議封裝后發送至岸上操作節點;岸上操作人員經查看，確定是否需要水質監測儀存樣，將整個儀器采集的數據通過串口實時傳輸至遠程監測中心計算機，經過對數據誤差修正處理后顯示。

2 ? 原位無線監測儀器設計與實現

2.1 ? 儀器設計

便攜式原位無線水質監測儀如圖2 所示。

包括外殼、儀器板、智能工業控制器、PLC、水泵、電動馬達、伸縮桿、傳感器和盛水容器等部分組成。儀器伸縮桿安裝于儀器下方小外殼蓋中間，而傳感器架安裝于伸縮桿的下端，所使用的傳感器安裝于所述的傳感器架上，在儀器外殼腔的預留的孔和馬達軸套之間打上玻璃膠防水。控制器控制兩個馬達同時開啟則前進，左馬達開啟則向右轉，右馬達開啟則向左轉。儀器板包括沿圓形分布的24v鋰電池，繼電器，智能工業控制器，電動機，PLC。水質監測儀器板結構如圖3所示。

其中板上器件按重量大小平均分布在圓形儀器板上，這有助于水質監測儀在水中保持平衡，方便拆裝，再將儀器板安裝在外殼腔體內。水質監測儀外殼如圖4所示。

包括外殼腔、小外殼蓋、大外殼蓋。大外殼蓋有兩個用于放取樣溶液的取樣槽和一個用于放清水的清洗槽，把水和儀器分開，有助于整個水質監測儀的防水。

當到達指定監測水域時，控制帶有傳感器的伸縮桿伸入指定深度，傳感器進行監測，讀取的數據通過無線通訊模塊傳到岸上操作平臺實時顯示。如果需要多次測量，可以用清洗泵對傳感器探頭進行清洗，然后再次進行檢測。在檢測過程中如需要留存樣本，可以用抽水泵對河水進行取樣，儲存在腔體樣槽內帶回。

2.2 ? 儀器主要硬件設計

本系統電路圖的設計如圖5所示，采用S7-200PLC，通過其自身的RS485和其他模塊進行通訊，同時接收傳感器傳過來的數據，進行識別判斷。通過發送指令驅動S7-200，使儀器移動到指定位置，通過S6200智能工業控制器讀取傳感器數據;當需要取樣時則控制PLC進行取樣。同時智能工業控制器可以通過RS485口將傳感器數據存儲在PLC中，也可以通過無線PLC接收器實現PLC和岸上操作臺連接，操作臺與檢測中心的遠程連接，對PLC進行控制，從而實現對水質的取樣。

而本項目用到的另外一個模塊是S6200 PLC 無線通訊模塊，內置網頁發布，抗干擾能力強，一個模塊即可實現PLC的電腦遠程控制，手機電腦網頁瀏覽，通過RS485口讀取傳感器數據并存儲在PLC中等功能。同時S6200自帶數字輸入/輸出，可以作為PLC的模擬量擴展模塊來接收傳感器傳過來的模擬量。

3 ? 系統軟件設計調試實現

為了實現上述水質監測系統的有效性、正確性，本項目還使用了一個模塊是觸摸屏，它使用無線PLC接收器作為通訊手段模塊，通過觸摸屏編程軟件進行界面設計，可以讀取PLC寄存器存儲的傳感器數據，并且可以遠程控制PLC。利用PLC為平臺，建立水質檢測儀控制系統與調試系統的聯調系統，其中調試系統采用Visual Studio軟件平臺，依據調試功能模塊化的設計思路，進行程序開發。控制系統設置如圖6所示。

在遠程可以對儀器設備的行進轉停控制，到達指定水域后，可對儀器采集裝置伸縮桿控制，鍵入其伸出量及檢測時間，在完成檢測后或控制取樣瓶取樣后，可控制伸縮桿收回。另外，在需要多次重復檢測時，可以選擇清裝置后檢測。實時檢測的數據如圖7所示，目前初步設計僅對溶解氧、溫度、濁度、pH值等進行檢測，在檢測過程中如有新的要求，可增加或替換檢測采集端完成檢測任務。

在完成測量時，不僅可以顯示這些數據參數，測得數據的位置將一同給出。根據控制要求，共需要PLC輸入點數為18點如圖8所示。

5 ? 結 ? 論

本系統的設計主要是為遠程監控水質監控所設計的，可將水質現場信號參數通過無線通信的方式傳送到遠程監控終端，實現了水質參數的原位檢測。從系統的設計目標出發，介紹了系統設計實現方案。隨后，對系統原位檢測重要組成設備水質監測儀的實現機理，進行了專門的設計敘述，按照功能模塊的劃分設計了動力部分、數據采集和發送和數據接收的模塊。描述了儀器監測運行顯示及取樣過程，設計了儀器軟件系統，對其控制系統及顯示系統進行了專門的設計。目前已經基本實現了設計的預期目標，可以穩定、可靠地運行，能夠對目標水域水質進行實時監測及取樣。有效地提高了水質監測的自動化、智能化、現場化的水平和效率，達到了系統設計方案的目標，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1] ? ?何英華，張惠雯. 吉林省飲用水水質監測指標體系的建立[J].中國地方病防治雜志，2018，33（02）：154—155.

[2] ? ?王詩源，袁琦. 基于LabVIEW的水質監測系統設計與開發[J]. 漁業現代化，2018，45（01）：63—68.

[3] ? ?紀超，王昆. 飛機外掛物管理系統無線原位檢測技術研究[J]. 計算技術與自動化，2015（3）：131—135.

[4] ? ?李文龍，王剛，尹周平. 閉式葉輪五軸原位檢測路徑規劃與實驗驗證[J]. 航空學報，2018，39（03）：244—252.

[5] ? ?李克偉，凌永生，張皓嘉，等. 填埋場中有害元素成分原位檢測方法[J]. 強激光與粒子束，2018，30（02）：135—141.

[6] ? ?趙軍，林瀚剛，西熱娜依·白克力. 基于ZigBee的水質監測系統研制及復雜環境下在線測試[J].中國測試，2018，44（05）：67—70.

[7] ? ?李宮，郭慧，趙輝，等. 基于Android的便攜式水質檢測儀器的研制[J].環境工程學報，2016，10（07）：3973—3976.