基于LabVIEW的地下水污染物遷移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜張艷杰 康智慧 譚景輝

一、引言

水資源在地球上是十分寶貴的財(cái)富，在生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都是必不可少的。針對(duì)于地下水的監(jiān)測(cè)方面，目前我國(guó)采用最多的還是人工測(cè)量的方式或者利用從國(guó)外購(gòu)置引入的專用監(jiān)測(cè)儀器和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采取現(xiàn)場(chǎng)的水樣，保存并送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行專業(yè)的測(cè)試分析。這些監(jiān)測(cè)工作基本都是對(duì)水位或水質(zhì)進(jìn)行的單項(xiàng)監(jiān)測(cè)，因此，研究地下水污染物自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)際意義。在地下水的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方面，地下水情況的參考數(shù)據(jù)一般都是水位、濁度、溶氧量等參數(shù)。虛擬儀器（以下稱LabVIEW），能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，快速高效。因此，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的地下水污染物遷移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)多個(gè)相同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的污染物離子濃度監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

二、虛擬儀器

LabVIEW可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，效率很高。可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行隨機(jī)改變，更新周期縮短，時(shí)效性強(qiáng)。采用LabVIEW則不用采用更多的硬件設(shè)備，節(jié)約成本。可見(jiàn)基于LabVIEW的地下水污染物遷移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到地下水中離子濃度的情況，而且也彌補(bǔ)了以單片機(jī)等硬件設(shè)計(jì)研發(fā)監(jiān)測(cè)設(shè)備的不足之處，而且檢測(cè)系統(tǒng)成本低，操作十分簡(jiǎn)單。

三、基于LabVIEW的地下水污染物遷移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水污染物的遷移監(jiān)測(cè)，要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、打印、存儲(chǔ)、查詢等操作處理功能。因此設(shè)計(jì)主要包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。硬件部分有傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡，軟件部分則是數(shù)據(jù)采集和處理的編程設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

（二）硬件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，硬件部分主要包括三部分：傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡。功能主要是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、放大和傳送到電腦。因此硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是完成傳感器選型、放大電路設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集卡選型。

傳感器的功能主要是采集地下水中影響水質(zhì)的污染物的離子濃度并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的電壓信號(hào)，而且選擇傳感器時(shí)還要考慮到實(shí)用性、成本、測(cè)量范圍、響應(yīng)速度、精確度等因素。離子選擇性電極是一種不需要復(fù)雜儀器就可以對(duì)待測(cè)液體進(jìn)行無(wú)破壞性分析的簡(jiǎn)易工具，各種形式存在的離子都可以用它檢測(cè)分析，幾微升的待測(cè)樣品都可以進(jìn)行測(cè)量，所以十分適合用于野外的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析。因此決定選擇實(shí)用性較高的離子選擇性電極。

通過(guò)傳感器采集得到離子濃度數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能需求進(jìn)行特殊處理。信號(hào)調(diào)理電路主要就是進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作。由于不同類型的傳感器具有不同的功能，除了考慮到一些常見(jiàn)的特性，還需要根據(jù)不同傳感器的性質(zhì)和要求來(lái)實(shí)現(xiàn)其特殊的信號(hào)調(diào)節(jié)功能。傳感器通常輸出一個(gè)小信號(hào)，必須使用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)電路，以減少量化誤差。將電路的輸出電壓傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后輸入到電腦端。

根據(jù)放大器電路的要求，通過(guò)對(duì)通用型運(yùn)算放大器LM324和OP07運(yùn)算放大器進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真結(jié)果顯示LM324的放大倍數(shù)有一定的誤差，對(duì)信號(hào)的真實(shí)程度影響較大，而OP07運(yùn)算放大器基本沒(méi)有誤差，故選擇OP07運(yùn)算放大器作為本次設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路。

針對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，查詢相關(guān)資料后擬采用研華系列板卡。最后選擇PCI1711U作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)挠布饕蒔CI1711 DAS卡、驅(qū)動(dòng)光盤（含有驅(qū)動(dòng)軟件）、接線電纜和接線板這幾部分組成。

（三）軟件部分設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分是利用LabVIEW進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、處理等操作。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求需達(dá)到功能，軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的顯示界面設(shè)計(jì)如圖2所示，限于篇幅原因，部分程序框圖如圖3所示。

圖2 顯示界面設(shè)計(jì)圖

圖3 部分程序框圖

離子濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量，放大電路處理后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入端傳輸?shù)絇C機(jī)，然后電腦利用LabVIEW中已經(jīng)安裝好的研華板卡的工具包對(duì)板卡進(jìn)行打開(kāi)、配置、選擇通道來(lái)采集數(shù)據(jù)。由于采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)了放大電路的放大處理，以及離子選擇電極的電勢(shì)差，因此需要求出原來(lái)的電勢(shì)差，再根據(jù)離子濃度符合能斯特公式設(shè)計(jì)算法，計(jì)算出離子濃度，如圖4所示。

圖4 公式算法圖例

LabVIEW中有很多函數(shù)都可用于實(shí)現(xiàn)保存輸入的數(shù)據(jù)的功能。參考數(shù)據(jù)的大小和數(shù)據(jù)的保存方式，可以根據(jù)用戶的需求選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)保存函數(shù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這些函數(shù)能夠把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成不同的格式，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用二進(jìn)制測(cè)量文件保存方式。

本次設(shè)計(jì)采用了LabVIEW自帶的打印報(bào)表VI，結(jié)合了事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶根據(jù)自己需求選擇打印哪一條通道數(shù)據(jù)時(shí)，按下對(duì)應(yīng)的按鈕，就會(huì)觸發(fā)事件，然后即可進(jìn)行打印操作。

如果需要查看以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可以執(zhí)行此操作，把歷史數(shù)據(jù)顯示出來(lái)進(jìn)行對(duì)比。基于需求采用事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)按鈕觸發(fā)事件，當(dāng)按鈕值改變，觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)，進(jìn)入for循環(huán)，再根據(jù)設(shè)置的讀取個(gè)數(shù)把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)的文件中讀取出來(lái)。

當(dāng)數(shù)據(jù)量較大的時(shí)候，想要只觀察后來(lái)采集的數(shù)據(jù)，此時(shí)可以執(zhí)行此操作，把前面數(shù)據(jù)顯示部分清除。此部分設(shè)計(jì)根據(jù)按鈕的值改變觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的分支，根據(jù)對(duì)應(yīng)按鈕的屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)入條件結(jié)構(gòu)，進(jìn)而初始化波形圖表。當(dāng)查詢歷史數(shù)據(jù)后，若需要把顯示的數(shù)據(jù)清除可以點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行此操作，設(shè)計(jì)跟清除數(shù)據(jù)部分基本相同。

四、仿真驗(yàn)證分析

以某段水域的數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證該模型的有效性。基于LabVIEW的地下水污染物遷移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示波形圖如圖5所示。

五、結(jié)語(yǔ)

圖5為當(dāng)前條件下的該水域中離子數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。我們?cè)谠撍蛏嫌巍⒅虚g、下游放置傳感器，并將其與PC端的通道2、通道0、通道1 對(duì)應(yīng)。根據(jù)實(shí)際情況，傳感器探測(cè)得到某處的離子濃度先下降隨后穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值處，并且結(jié)果中離子濃度的上限值警示燈亮起，說(shuō)明該水域存在污染，并且污染物的濃度超過(guò)警示上限。在其他位置放置的傳感器檢測(cè)水域中該離子濃度的變化。在下游檢測(cè)到該水域的離子濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且幅值變化較快，與PC端通道1中顯示結(jié)果一致。在上游檢測(cè)到該水域的離子濃度也呈現(xiàn)較小幅度的攀升，但是未超過(guò)警示上限值。仿真結(jié)果顯示污染物的移動(dòng)趨勢(shì)往下游方向移動(dòng)，與實(shí)際結(jié)果基本一致。

圖5 波形顯示圖

地下水的監(jiān)測(cè)工作就是為了保障我國(guó)的可用水資源的可持續(xù)發(fā)展。本次設(shè)計(jì)利用多傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、并利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)傳感器傳輸數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同通道顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水污染物遷移的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。