水污染動態實時監測儀

雒珊 雒衛廷

（呂梁學院物理系 山西省呂梁市 033000）

1 引言

眾所周知，水是萬物生存之本，與我們的生活息息相關。水資源也是人類賴以生存和發展的重要資源之一，其對維護生態系統和生物多樣性、促進經濟社會可持續發展有重要意義。在時代的不斷演變下，我國的社會經濟、科技，各行業的發展得到了不提升。但是隨之而來的卻是日趨嚴重的水污染問題：各種的排放物增多，各類污染物嚴重超標，導致全國水資源嚴重匱乏、污染逐漸嚴重。針對水資源問題的調研及相關保護措施的實施刻不容緩。在此背景下，水污染動態實時監測儀應運而生。本項目以離子選擇性傳感器監測技術為基礎，融合電化學溶出伏安監測技術，光尋址電位傳感器監測技術和計算機快速監測技術等多學科知識，采用多種傳感器相結合，能夠做到快速測得各既定污染物含量，并實時傳送回監測平臺。針對不同區域的不同污染情況，可設計不同種類污染物的監測設備，適用于不同污染區域，具有多節點、應用靈活的優點，有較好的實用性，能夠實現對河湖水質的有效分析與綜合評價。

本項目水污染動態實時監測儀，對傳統的現場人工采樣實驗室分析法和岸站固定監測柜監測法進行綜合以及升級，克服了監測數據單一、監測設備體積龐大、不便于攜帶和運輸、成本及維護費用昂貴以及不能實時在線的監測等缺點，并創新實現了實時數據采集與顯示、歷史曲線查詢、遠程無線傳輸等功能。具體為多種傳感器相結合，快速測得各既定污染物含量，實時傳送回監測平臺。同時監測平臺還具有超閾值提醒報警功能，現已拓展到手機APP 中方便工作人員攜帶和監測。

2 水污染動態實時監測儀總體框架

本設計分為V3S 控制及處理單元、水質監測傳感器采集單元、GPRS 通信單元、LCD 液晶屏顯示單元、物聯網云端顯示單元五個單元組成。系統設計原理圖如圖1所示。

圖1：系統設計原理圖

水污染動態實時監測儀設計原理：將水質監測傳感器放到所需檢測的水體中，監測水體中的溫度(℃)，PH，氨氮(ppm)，溶解氧(mg/L)等水質參數，所監測到的信號傳回V3S 中進行處理，得到的水質情況通過LCD 液晶屏顯示，同時水質情況也將通過GPRS 遠程無線傳輸到手機APP中，兩處水質情況按設定的監測頻率實時更新，在線顯示。

3 硬件綜合處理

本項目硬件部分包括V3S 控制及處理單元、水質監測傳感器采集單元、GPRS 通信單元和LCD 液晶屏顯示單元,具有功耗小、便于攜帶、操作簡單、人機交互性好等特點。

3.1 V3S控制及處理單元

水污染動態實時監測儀采用V3S 作為控制及處理單元，CPUARM Cortex-A7 架構，集成HawkView ISP，最大支持5M 處理，支持1080P@60fps H.264 編碼及1080P MJEPG 轉1080P H.264 重編碼，內置64M DRAM，低功耗、低發熱。如圖2所示。

圖2：V3S 控制及處理單元

3.2 水質監測傳感器采集單元

（1）PH 值傳感器：高智能化在線連續監測儀，由傳感器和二次表兩部分組成。可配三復合或兩復合電極，以滿足各種使用場所。配上純水和超純水電極，可適用于電導率小于3μs/cm 的水質的PH值測量。

（2）ISDC20-L05 溶解氧智慧傳感器：能夠準確測量氧氣在水中的溶解，溫度測量范圍為-25.0℃~130.0℃，量程為0~20mg/L，分辨率為0.01mg/L，能夠實時采集水中溶解氧的數據并輸出RS485信號連接到PLCDCS、工業控制計算機、通用控制器、無紙記錄儀器或觸摸屏等第三方設備展示。

（3）RMD-ISNH4 氨氮/銨離子傳感器: 氨氮分析儀測定水中的氨氮(NH4+-N)的濃度，傳感器使用三個電極來確NH4+-N，濃度，銨離子電極，鉀離子。電極和pH 電極，典型的應用包括監測環境水、湖泊、溪流和水井以及在曝氣池和廢水中的污染物。水質監測傳感器采集單元如圖3所示。

圖3：水質監測傳感器采集單元

3.3 GPRS通信單元

GPRS 通信單元如圖4所示。GPRS 通信模塊是采用高性能工業級無線模塊及嵌入式處理器，以實時操作系統作為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP 協議，為用戶提供高速，穩定可靠，永遠在線的透明數據傳輸通道。通信功能：支持GPRS 和短消息雙通道傳輸數據；支持與多中心進行數據通信。采集功能：采集串口設備數據，如串口儀表、采集器、PLC 等。遠程管理功能：支持遠程參數設置、程序升級。

圖4：GPRS 通信單元

3.4 LCD液晶屏顯示單元

水質多參數在線監測二次儀表用以指示、記錄或積算來自一次儀表的測量結果。二次儀表安裝在離工藝管線或設備較遠的控制屏上的儀表。用以指示、記錄或積算來自一次儀表的測量結果。通常以電源為動力，有模擬或數字兩種指示形式。指示清晰，精度較高。如圖5所示。

圖5：LCD 液晶屏顯示單元

功能：

（1）設定點偏差：模擬處理的數顯儀表≤±2d；

（2）設定誤差：刻度盤或撥碼設置的儀表≤±1%F.S; ≤±1.5%F.S 可選；

（3）可設置范圍：數字處理式儀表≥1 ～100%F.S；

（4）回差：數字處理的儀表0.2 ～20 間可調；

（5）周期時間：數字處理式儀表等周期時 25s±5s。

4 系統軟件綜合設計

水污染動態實時監測儀采用的核心控制器件為V3S 控制及處理單元，它主要實現的功能是監測上傳到單片機的數據，判斷是否超出預先設定的數值，并將數據通過顯示模塊顯示，且當它的數值大于設定值時，發出蜂鳴響聲提醒等。主要硬件包括有V3S、LCD1602、HC-05 藍牙串口、BHT-D 型PH 值傳感器。軟件編程使用的軟件為Keil uVision5 軟件，編程語言用的是C 語言。

4.1 主程序設計

軟件主要包括：主程序、獲取PH 值子程序、設置串口通信子程序等。將程序燒入單片機后，上電、PH 探頭放入溶液、顯示屏顯示數據、手機軟件接收相應數據、蜂鳴器是否報警，并在判斷報警后返回初始化值，從而達到循環，實時監測水源問題。

4.2 串口定義子程序設計

這一子程序的設計主要是為了定義串口的功能，例如接收緩存的指針、位置，發送緩存的指針、計數，以及判定是否發送完成，發送的數據長度，以及串口發送的命令。

4.3 存儲器子程序設計

在存儲器子程序中，主要定義了存儲的起始地址、寫入指定長度的數據在指定地址、在指定地址讀取指定長度的數據、以及V3S的FLASH 的起始地址。

4.4 蜂鳴器報警子程序設計

這一子程序中，主要定義了蜂鳴器的報警條件，當采集信號大于警告信號時，蜂鳴器報警，在最后一行輸出顯示采集到的信號值和警告信號值。

4.5 LCD顯示器子程序設計

在這一子程序中，主要定義顯示器的各個引腳的作用及功能，例如指令/數據選擇引腳、讀寫引腳、使能引腳、8 位/4 位數據操作端口，以及清屏和返回原點等命令。

5 系統測試

5.1 實物測試過程

（1）使用萬用表等檢測工具進行電路檢查，看看每個元器件的兩端是否有短路的情況，觀察電路中的各個焊接點是否有虛焊情況；

（2）在經過仔細的檢查每一個可能出現問題的地方后，上電觀察各個模塊是否能夠正常啟動；

（3）將寫好的程序燒入單片機，系統開始工作。實物測試如圖6所示。

圖6：實物測試

5.2 通信模塊及顯示屏測試

在程序燒入成功后，開始根據功能劃分模塊依次測試其是否成功實現，現在測試的是顯示模塊，顯示模塊分為兩種顯示方式，一用LCD 顯示屏顯示檢測到的數值及報警值，二通過通信模塊與手機連接將每回測試到的數值上傳至手機，利用APP 顯示并記錄。

在上電后，可以看到數值已經開始顯示并傳輸，原因是傳感器內帶有一種少量的保護液體，它也有著數值，現在顯示的值就是地表水的測量值，可以看到當數值上升到5.12 后就不在大范圍的變動，這時觀察手機和顯示器可以看到顯示為同一數值，所以顯示模塊功能成功實現。圖7為顯示模塊的圖像。

圖7：通信模塊及顯示屏測試

5.3 測試結果及數據

在顯示模塊成功后，為了測試監測模塊的準確性，以PH值為例，準備了幾種PH 值不同的液體，首先，設備接通移動電源，開機為系統供電，顯示屏亮起一切正常，傳感器工作正常，將DTU 與手機成功連接，移動端開始顯示數值，準備的三種測試液體PH 值分別為PH4.00、PH6.86、PH9.18。表1為測試數據。

表1：測試數據列表

本次實驗精度為±5%FS，PH 值量程：0-14，可允許誤差：

±5%*14=±0.70。

由數據表，可以看出，此次系統測試的誤差略大，在中性溶液中測量值低于實際值，約0.6，堿性溶液中測量值比實際值略低，但總體數據在誤差可控范圍之內。經過仔細檢查，認為數據偏差略大的原因有以下幾點：由于盛放液體的容器密封性能不好，幾個液體之間可能互相有中和問題存在；在感應探頭放入下一個溶液中時，上一個液體殘留在探頭上，導致數據不準確。以上問題是因為實驗過程不嚴謹而引起的。

在這次試驗中，也可以發現，系統的功能確實是成功實現了，移動端與顯示屏的數據一致，但在數據傳輸中由于數據更新次數較為頻繁，在偶然情況下會導致移動端數據出現極其微小誤差。

5.4 不同水源的測試結果及數據

為了測試設備在戶外工作時是否能夠準確測試，在呂梁市三處不同的水文監測點進行檢測，分別為馬坊、橫泉水庫和裴家川口，這三處水的PH 值，氨氮，溶解氧在檢測前已將相應的PH 值，氨氮，溶解氧記錄進表2，將檢測中的數值同樣記錄表2，方便進行對比。

表2：PH 值數據列表

表2、表3和表4是三組不同地域不同項目的數據對比列表，在水文站數據與檢測數據對比中可知：官方給定的數據與檢測數據存在一定誤差，例如：馬坊地區所測得的PH 值比水文站在同一地區所測得的數據較大，誤差約為0.3；在裴家川口所測得的溶解氧數據相比于水文站提供數據略微偏小，誤差約為0.2；但對比所有數據可得，所測數據均在誤差允許范圍之內。

表3：氨氮數據列表

表4：溶解氧數據列表

分析以上誤差存在的原因：初步可得，誤差可能是檢測地點并不是與水文站檢測地點完全吻合；同時，考慮到檢測時間、溫度、外界環境等都會對數據造成一定影響，從而導致數據存在一定誤差。

以上就是對本產品部分功能的技術介紹與各方面的調試，由于篇幅限制，且產品正處于初級研發階段，此文只以PH，氨氮，溶解氧為例，后續，我們會對產品進行進一步的研發。

6 結束語

水質監測的重要內容是地表水監測，地表水監測工作與飲水安全、水資源保護、水污染防治等息息相關，因此掌握地表水污染的實時監測技術，做好地表水污染監測工作至關重要，落實地表水污染實時檢測技術提高人們用水的安全性，具有重要的現實意義。

水質自動監測系統的建立,改變了原有的水質監測模式，實現了水質的實時監測和遠程監控，解決跨區域記錄的水質檢測情況，通過新型的水質自動化監測手段可采集高頻次、可靠的水環境數據，能夠及時掌握重點斷面的實時水質狀況，可預警預報水質狀況、提高了決策和管理的效率，減少了進行人工測量的頻次，大大提高水環境監測管理的時效性、可靠性，當發生水體污染事件時，能夠及時預警，掌握污染水體的影響范圍及發展趨勢，減少或避免對居民生活和工農業生產造成巨大損失，同時通過掌握水質狀況實現科學調度，處理好需求供水和取水的關系，能更好地實現區域水資源合理分配和調度管理工作，實現供水經濟效益最大化，為管理部門提供決策依據，便于環保部門對綜合自然環境進行集中整治。