嵌入式多參數微小型水質(zhì)監測系統的設計

在我國，水污染已經(jīng)成為嚴重的環(huán)境問(wèn)題?，F有水質(zhì)監測系統的方法大多分為兩類(lèi)：(1)采用人工操作的方法，其監測系統龐大，完成測試過(guò)程所用時(shí)間比較長(cháng)。(2)現場(chǎng)進(jìn)行測試的方法，其對水質(zhì)測試的參數比較單一，不能實(shí)時(shí)傳輸測試數據[1]?；谶@兩類(lèi)方法的監測系統，所得數據代表性差,無(wú)法及時(shí)反映水污染的變化情況,已經(jīng)滿(mǎn)足不了現代環(huán)境監測和保護的要求。因此，研制能夠對水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)采樣、多參數監測﹑自動(dòng)化分析以及對監測數據無(wú)線(xiàn)傳輸的水質(zhì)監測系統十分必要。

近年來(lái)，嵌入式技術(shù)得到了廣泛關(guān)注并獲得了飛速發(fā)展，其應用范圍越來(lái)越廣?；谠摷夹g(shù)的設備具有體積小、成本低和性能穩定等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)[2]。而GPRS技術(shù)是為無(wú)線(xiàn)數據傳輸服務(wù)量身定做的，該技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強、設備成本低、維護費用低、價(jià)格便宜、適合不定期和長(cháng)時(shí)間的數據傳輸等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

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

1 系統測量原理

該系統水質(zhì)參數的測量原理是以朗伯—比爾定律為理論基礎的，其表達式為：

其中，A為介質(zhì)的吸光度，I為入射光的強度，I′為光通過(guò)介質(zhì)吸收后的透射光強，C為介質(zhì)的摩爾濃度，l為光程長(cháng)，ε為介質(zhì)的摩爾吸收系數。在測量中，采用已知P物質(zhì)的標準溶液和未知P物質(zhì)的被測溶液比較特定波長(cháng)吸收程度的方法，來(lái)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(cháng)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(gè)不同濃度的標準溶液進(jìn)行測量，得到吸光度值Ai（i=1,2,3…N）。以P物質(zhì)的濃度Ci為橫坐標、吸光度值Ai為縱坐標，利用最小二乘法便可得出P物質(zhì)的標定曲線(xiàn)，其表達式為：

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(shí)際計算出的標定曲線(xiàn)是一條不過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。當測量P物質(zhì)在被測溶液中的未知濃度時(shí)，只需測出不含P物質(zhì)時(shí)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)監測系統總體結構

圖1為多參數微小型水質(zhì)監測系統的原理框圖，分為單片機測量控制系統和ARM硬件控制系統。嵌入式ARM系統主要實(shí)現整體控制，通過(guò)對觸摸屏菜單的操作，對單片機測量系統發(fā)出控制命令，可以實(shí)現對水中的鉻、鉛、A表面活性劑、化學(xué)耗氧量（COD）、氨氮、總磷和揮發(fā)酚的標定，單步測量和依次測量。然后嵌入式ARM系統通過(guò)微型光譜儀對光譜數據采集，經(jīng)過(guò)數據處理，完成對水中各個(gè)參數含量的測試。而經(jīng)過(guò)測試之后，可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )，實(shí)時(shí)地將測量數據傳輸到遠端管理人員的PC機上，從而實(shí)現對庫區和大江大河環(huán)境水質(zhì)狀況的實(shí)時(shí)監測。

2.1 單片機測量控制系統

單片機控制系統主要由單片機處理器及鎢絲燈光源﹑透鏡﹑光纖探頭、樣品水池﹑清洗攪拌機構﹑直線(xiàn)導軌機構﹑蠕動(dòng)泵陣列﹑反應測試室陣列﹑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(xiàn)導軌的移動(dòng)滑塊上。檢測時(shí)，單片機首先控制直線(xiàn)導軌上的移動(dòng)滑塊至第一個(gè)反應測試室，控制蠕動(dòng)泵抽取清水至測試室，然后控制清洗攪拌機構，使用攪拌針攪拌，待攪拌完成，打開(kāi)相應電磁閥，排除清水；接著(zhù)利用蠕動(dòng)泵分別抽取適量的樣品溶液和試劑溶液，使用攪拌針充分攪拌，待反應充分；最后，單片機控制點(diǎn)亮光源，由鎢絲燈產(chǎn)生的可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)透鏡聚光后穿過(guò)測試室，由微型光譜儀探測頭把透射光導入光譜儀，記錄光譜數據，然后將光譜數據傳入ARM系統，進(jìn)行水質(zhì)參數濃度的分析。此時(shí)第一個(gè)參數測試完畢，按照上述步驟可完成水樣中7種參數含量的測試。

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

2.2 ARM硬件控制系統

ARM硬件控制系統的任務(wù)主要包括：光譜數據的接收與分析處理、控制單片機系統、測量數據發(fā)射、人機對話(huà)等，其結構框圖如圖2所示。水質(zhì)參數開(kāi)始檢測后，首先通過(guò)LCD觸摸屏對該系統的各個(gè)參數進(jìn)行設定，ARM系統與單片機系統通信，通知單片機系統的各個(gè)模塊準備測試。然后ARM系統向單片機系統發(fā)送測試第一個(gè)參數的命令，單片機系統按照制定好的步驟，完成試劑和樣品溶液的充分反應，然后打開(kāi)光源。這時(shí)，光譜儀的光線(xiàn)探頭定位在第一個(gè)反應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(guò)光纖傳輸，光譜儀開(kāi)始采集數據，待采集完成后，通過(guò)光譜儀與ARM系統的連接并口傳入ARM處理器S3C2440A中，然后ARM處理器對采集的數據進(jìn)行處理，并存儲處理結果以及在LCD觸摸屏上顯示該參數的吸光度曲線(xiàn)。待這些完成之后，ARM系統發(fā)送命令，通知單片機系統開(kāi)始測試第二個(gè)參數，直至7個(gè)參數全部測試完畢為止。由于GPRS模塊通過(guò)串口與S3C2440A相連接，ARM處理器通過(guò)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的濃度進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到遠端的PC機端。

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

3 系統的軟件設計和數據處理

多參數微小型水質(zhì)監測系統的軟件設計由參數標定部分、參數吸光度值采集和處理、GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸和控制部分組成。

3.1 參數標定及吸光度值采集和處理的設計

參數的標定是基于朗-伯比爾定律和儀器的系統誤差考慮的。在每次測量之前要進(jìn)行參數的標定，首先是設置光譜儀的參數即積分時(shí)間和參考電壓，接著(zhù)ARM系統向單片機系統發(fā)送命令，單片機系統控制各個(gè)機構。測試第一個(gè)參數，ARM系統控制光譜儀從中讀取該參數的吸光度值，并存儲在FLASH中，直至第七個(gè)參數測試完畢。此時(shí)，處理器根據存儲的數據作出7條標定曲線(xiàn)，并顯示在LCD上。在采集被測溶液的參數吸光度值時(shí)，步驟和參數標定基本相同，只是在最后使用標定曲線(xiàn)計算出該參數的濃度值。參數標定及吸光度值采集和處理流程如圖3所示。

系統測試時(shí)可能會(huì )存在隨機誤差，由誤差理論可知，當測量次數無(wú)限增大時(shí)，隨機誤差趨向于零，測量的算術(shù)平均值趨向于真值。但當n>10以后，算術(shù)平均值的標準差變化緩慢，因此，測試10次數據比較適中[4]。從圖3的流程圖中可以看出，系統標定和測試都是10次測量，所以本系統已從軟件設計考慮，減少了系統的隨機誤差。

3.2 GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸和控制設計

GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸和控制的實(shí)現是通過(guò)GPRS的收發(fā)短信實(shí)現的。在使用GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)，首先利用PPP撥號，使GPRS模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)GGSN建立一條邏輯通路，從而實(shí)現與Internet的無(wú)線(xiàn)連接，連接完成之后就可以實(shí)現短信的收發(fā)[5、6]。本系統設置了一些可以供遠程管理員進(jìn)行遠程控制的指令，在短信接收階段，ARM系統通過(guò)判斷接收的短信內容是回復內容還是遠程控制。如果回復內容是1，則說(shuō)明PC機端已經(jīng)收到發(fā)送的數據；如果回復內容是3，則說(shuō)明PC機端沒(méi)有收到發(fā)送的數據，繼續重發(fā)；如果回復內容是2，則說(shuō)明PC機端向ARM系統發(fā)送命令，這樣就可以使測試人員不在現場(chǎng)時(shí)也能進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。圖4為GPRS短信收發(fā)流程圖。

在以上設計基礎上，對樣機的各個(gè)模塊進(jìn)行了加工、裝配和聯(lián)合調試，并且用觸摸屏控制各個(gè)系統進(jìn)行了綜合調試。測試結果顯示，各個(gè)機構的控制精度很高且工作速度也符合設計要求。光譜儀采集數據和GPRS模塊遠程傳輸控制正常，系統運行狀態(tài)較好，整機工作穩定。

多參數微小型水質(zhì)監測系統采用了嵌入式技術(shù)和 GPRS技術(shù)進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)，有效實(shí)現了對環(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(shí)時(shí)檢測與遠程監測，與目前國內外同類(lèi)水質(zhì)監測系統相比具有體積小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低、實(shí)時(shí)監控等特點(diǎn)。不僅保證了監控人員能夠及時(shí)準確地收到多參數微型水質(zhì)監測系統發(fā)送的水質(zhì)數據，而且保證了多參數微型水質(zhì)監測系統也能夠及時(shí)收到監控人員的反饋信息，使用者和監控中心能做到實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現了真正的實(shí)時(shí)監測，具有良好的應用前景。