嵌入式多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

在我國，水污染已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的方法大多分為兩類：(1)采用人工操作的方法，其監(jiān)測系統(tǒng)龐大，完成測試過程所用時間比較長。(2)現(xiàn)場進(jìn)行測試的方法，其對水質(zhì)測試的參數(shù)比較單一，不能實時傳輸測試數(shù)據(jù)[1]?；谶@兩類方法的監(jiān)測系統(tǒng)，所得數(shù)據(jù)代表性差,無法及時反映水污染的變化情況,已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)的要求。因此，研制能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行自動采樣、多參數(shù)監(jiān)測﹑自動化分析以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)">水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

近年來，嵌入式技術(shù)得到了廣泛關(guān)注并獲得了飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣?；谠摷夹g(shù)的設(shè)備具有體積小、成本低和性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點[2]。而GPRS技術(shù)是為無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)量身定做的，該技術(shù)具有實時性強(qiáng)、設(shè)備成本低、維護(hù)費用低、價格便宜、適合不定期和長時間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多優(yōu)點[3]。

本文提出了一種基于嵌入式技術(shù)和GPRS技術(shù)的多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法。介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理，給出了系統(tǒng)的總體方案，分析了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及功能，設(shè)計了系統(tǒng)的控制硬件和軟件。

1 系統(tǒng)測量原理

該系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)的測量原理是以朗伯—比爾定律為理論基礎(chǔ)的，其表達(dá)式為：

其中，A為介質(zhì)的吸光度，I為入射光的強(qiáng)度，I′為光通過介質(zhì)吸收后的透射光強(qiáng)，C為介質(zhì)的摩爾濃度，l為光程長，ε為介質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)。在測量中，采用已知P物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液和未知P物質(zhì)的被測溶液比較特定波長吸收程度的方法，來獲得P物質(zhì)在被測溶液中的濃度。為了扣除蒸餾水在該特定波長處的吸光度值，選用蒸餾水為參比溶液。首先用儀器對P物質(zhì)的N個不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測量，得到吸光度值A(chǔ)i（i=1,2,3…N）。以P物質(zhì)的濃度Ci為橫坐標(biāo)、吸光度值A(chǔ)i為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法便可得出P物質(zhì)的標(biāo)定曲線，其表達(dá)式為：

A=bC+k (2)

其中：A為P物質(zhì)的吸光度，C為P物質(zhì)摩爾濃度。由于光譜儀精度因素，實際計算出的標(biāo)定曲線是一條不過原點的直線。當(dāng)測量P物質(zhì)在被測溶液中的未知濃度時，只需測出不含P物質(zhì)時的杯空白吸光度A空白和含有P物質(zhì)溶液的吸光度AP，即可將（AP-A空白）代入式(2)，得出被測溶液中P物質(zhì)的濃度。

2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖，分為單片機(jī)測量控制系統(tǒng)和ARM硬件控制系統(tǒng)。嵌入式ARM系統(tǒng)主要實現(xiàn)整體控制，通過對觸摸屏菜單的操作，對單片機(jī)測量系統(tǒng)發(fā)出控制命令，可以實現(xiàn)對水中的鉻、鉛、A表面活性劑、化學(xué)耗氧量（COD）、氨氮、總磷和揮發(fā)酚的標(biāo)定，單步測量和依次測量。然后嵌入式ARM系統(tǒng)通過微型光譜儀對光譜數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，完成對水中各個參數(shù)含量的測試。而經(jīng)過測試之后，可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，實時地將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端管理人員的PC機(jī)上，從而實現(xiàn)對庫區(qū)和大江大河環(huán)境水質(zhì)狀況的實時監(jiān)測。

2.1 單片機(jī)測量控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)處理器及鎢絲燈光源﹑透鏡﹑光纖探頭、樣品水池﹑清洗攪拌機(jī)構(gòu)﹑直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)﹑蠕動泵陣列﹑反應(yīng)測試室陣列﹑電磁閥陣列和控制電路等組成。光源、鏡頭、光探頭、清洗攪拌針、注入清水及試樣的管頭等組裝在直線導(dǎo)軌的移動滑塊上。檢測時，單片機(jī)首先控制直線導(dǎo)軌上的移動滑塊至第一個反應(yīng)測試室，控制蠕動泵抽取清水至測試室，然后控制清洗攪拌機(jī)構(gòu)，使用攪拌針攪拌，待攪拌完成，打開相應(yīng)電磁閥，排除清水；接著利用蠕動泵分別抽取適量的樣品溶液和試劑溶液，使用攪拌針充分?jǐn)嚢?，待反?yīng)充分；最后，單片機(jī)控制點亮光源，由鎢絲燈產(chǎn)生的可見光經(jīng)過透鏡聚光后穿過測試室，由微型光譜儀探測頭把透射光導(dǎo)入光譜儀，記錄光譜數(shù)據(jù)，然后將光譜數(shù)據(jù)傳入ARM系統(tǒng)，進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)濃度的分析。此時第一個參數(shù)測試完畢，按照上述步驟可完成水樣中7種參數(shù)含量的測試。

由于水質(zhì)中各個參數(shù)的吸收光波長不同，光譜的大致范圍在400 nm～700 nm之間，因此，本系統(tǒng)中選擇了體積小﹑壽命長﹑價格低的12 V 25 W的溴鎢燈作為光源。

2.2 ARM硬件控制系統(tǒng)

ARM硬件控制系統(tǒng)的任務(wù)主要包括：光譜數(shù)據(jù)的接收與分析處理、控制單片機(jī)系統(tǒng)、測量數(shù)據(jù)發(fā)射、人機(jī)對話等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。水質(zhì)參數(shù)開始檢測后，首先通過LCD觸摸屏對該系統(tǒng)的各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，ARM系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)通信，通知單片機(jī)系統(tǒng)的各個模塊準(zhǔn)備測試。然后ARM系統(tǒng)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送測試第一個參數(shù)的命令，單片機(jī)系統(tǒng)按照制定好的步驟，完成試劑和樣品溶液的充分反應(yīng)，然后打開光源。這時，光譜儀的光線探頭定位在第一個反應(yīng)測試室的透射光孔處，透射光進(jìn)入光譜儀的光纖探頭，經(jīng)過光纖傳輸，光譜儀開始采集數(shù)據(jù)，待采集完成后，通過光譜儀與ARM系統(tǒng)的連接并口傳入ARM處理器S3C2440A中，然后ARM處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲處理結(jié)果以及在LCD觸摸屏上顯示該參數(shù)的吸光度曲線。待這些完成之后，ARM系統(tǒng)發(fā)送命令，通知單片機(jī)系統(tǒng)開始測試第二個參數(shù)，直至7個參數(shù)全部測試完畢為止。由于GPRS模塊通過串口與S3C2440A相連接，ARM處理器通過串口發(fā)送AT指令對GPRS模塊操作。測試完成之后，ARM處理器對已存儲參數(shù)的濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC機(jī)端。

本系統(tǒng)采用三星公司生產(chǎn)的ARM9芯片S3C2440A作為處理器，它是一款低功耗的32位處理器。系統(tǒng)選用的光譜儀為重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心自主研發(fā)的微型光譜儀，光譜范圍330 nm～780 nm，光譜帶寬≤2 nm，波長準(zhǔn)確性+0.9，分辨率≤2 nm，符合系統(tǒng)的要求。GPRS模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC35I，該模塊支持GPRS Class 8級以及短信功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)處理

多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計由參數(shù)標(biāo)定部分、參數(shù)吸光度值采集和處理、GPRS無線傳輸和控制部分組成。

3.1 參數(shù)標(biāo)定及吸光度值采集和處理的設(shè)計

參數(shù)的標(biāo)定是基于朗-伯比爾定律和儀器的系統(tǒng)誤差考慮的。在每次測量之前要進(jìn)行參數(shù)的標(biāo)定，首先是設(shè)置光譜儀的參數(shù)即積分時間和參考電壓，接著ARM系統(tǒng)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送命令，單片機(jī)系統(tǒng)控制各個機(jī)構(gòu)。測試第一個參數(shù)，ARM系統(tǒng)控制光譜儀從中讀取該參數(shù)的吸光度值，并存儲在FLASH中，直至第七個參數(shù)測試完畢。此時，處理器根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)作出7條標(biāo)定曲線，并顯示在LCD上。在采集被測溶液的參數(shù)吸光度值時，步驟和參數(shù)標(biāo)定基本相同，只是在最后使用標(biāo)定曲線計算出該參數(shù)的濃度值。參數(shù)標(biāo)定及吸光度值采集和處理流程如圖3所示。

系統(tǒng)測試時可能會存在隨機(jī)誤差，由誤差理論可知，當(dāng)測量次數(shù)無限增大時，隨機(jī)誤差趨向于零，測量的算術(shù)平均值趨向于真值。但當(dāng)n>10以后，算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差變化緩慢，因此，測試10次數(shù)據(jù)比較適中[4]。從圖3的流程圖中可以看出，系統(tǒng)標(biāo)定和測試都是10次測量，所以本系統(tǒng)已從軟件設(shè)計考慮，減少了系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。

3.2 GPRS無線傳輸和控制設(shè)計

GPRS無線傳輸和控制的實現(xiàn)是通過GPRS的收發(fā)短信實現(xiàn)的。在使用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸時，首先利用PPP撥號，使GPRS模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN建立一條邏輯通路，從而實現(xiàn)與Internet的無線連接，連接完成之后就可以實現(xiàn)短信的收發(fā)[5、6]。本系統(tǒng)設(shè)置了一些可以供遠(yuǎn)程管理員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的指令，在短信接收階段，ARM系統(tǒng)通過判斷接收的短信內(nèi)容是回復(fù)內(nèi)容還是遠(yuǎn)程控制。如果回復(fù)內(nèi)容是1，則說明PC機(jī)端已經(jīng)收到發(fā)送的數(shù)據(jù)；如果回復(fù)內(nèi)容是3，則說明PC機(jī)端沒有收到發(fā)送的數(shù)據(jù)，繼續(xù)重發(fā)；如果回復(fù)內(nèi)容是2，則說明PC機(jī)端向ARM系統(tǒng)發(fā)送命令，這樣就可以使測試人員不在現(xiàn)場時也能進(jìn)行實時測試。圖4為GPRS短信收發(fā)流程圖。

在以上設(shè)計基礎(chǔ)上，對樣機(jī)的各個模塊進(jìn)行了加工、裝配和聯(lián)合調(diào)試，并且用觸摸屏控制各個系統(tǒng)進(jìn)行了綜合調(diào)試。測試結(jié)果顯示，各個機(jī)構(gòu)的控制精度很高且工作速度也符合設(shè)計要求。光譜儀采集數(shù)據(jù)和GPRS模塊遠(yuǎn)程傳輸控制正常，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)較好，整機(jī)工作穩(wěn)定。

多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)和 GPRS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，有效實現(xiàn)了對環(huán)境水樣中的鉻、鉛、A表面活性劑、化學(xué)耗氧量（COD）、氨氮、總磷和揮發(fā)酚的實時檢測與遠(yuǎn)程監(jiān)測，與目前國內(nèi)外同類水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)相比具有體積小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低、實時監(jiān)控等特點。不僅保證了監(jiān)控人員能夠及時準(zhǔn)確地收到多參數(shù)微型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的水質(zhì)數(shù)據(jù)，而且保證了多參數(shù)微型水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)也能夠及時收到監(jiān)控人員的反饋信息，使用者和監(jiān)控中心能做到實時通信，從而實現(xiàn)了真正的實時監(jiān)測，具有良好的應(yīng)用前景。