劉開楊，郭書軍

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

水質(zhì)監(jiān)測是污染預(yù)警、污染物監(jiān)測和治理效果評定的重要手段，水質(zhì)分析是水質(zhì)監(jiān)測至關(guān)重要的一環(huán)[1]，準(zhǔn)確分析水體的污染情況是水源保護(hù)和污水治理的前提。

水源污染和污水性質(zhì)檢測的一項(xiàng)重要參數(shù)是化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），它表示以化學(xué)方法測量1 L水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量（單位為mg/L）[2]，是表示水體有機(jī)污染程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是水質(zhì)綜合評價(jià)的重要參數(shù)，因此對水體中的COD進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測具有重要意義。

傳統(tǒng)COD測定主要采用人工分析的方式進(jìn)行，不僅耗時(shí)耗力，數(shù)據(jù)精確度不高，還對操作人員專業(yè)技能有較高的要求。因此，監(jiān)測行業(yè)不斷引進(jìn)先進(jìn)的高精密儀器設(shè)備進(jìn)行樣品分析?，F(xiàn)階段，儀器設(shè)備憑借快速、準(zhǔn)確、數(shù)字化等特點(diǎn)在水質(zhì)分析工作中占據(jù)主要地位[3]。

普通COD測定儀器大多為半自動(dòng)式，需要人工移取水樣、滴加試劑等。本研究在COD傳統(tǒng)檢測方法的基礎(chǔ)上，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了通過分光光度法測量水樣COD的專項(xiàng)水質(zhì)分析系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)可按用戶設(shè)定向反應(yīng)容器中自動(dòng)加入樣液和試劑、消解冷卻、采樣測定，并記錄分析數(shù)據(jù)，大幅減少人工實(shí)驗(yàn)步驟，降低實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤率，在提高測定效率的同時(shí)降低成本。

1 水質(zhì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括檢測終端、服務(wù)器和用戶終端三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儀器終端通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，從服務(wù)端讀取參數(shù)配置，并在檢測結(jié)束后將檢測數(shù)據(jù)傳給服務(wù)端。用戶終端可以讀取服務(wù)端數(shù)據(jù)，修改服務(wù)端參數(shù)配置。

系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

檢測終端通過溫控和液體控制完成消解反應(yīng)后，借助光度傳感器采集通過反應(yīng)容器的平行光光照強(qiáng)度。當(dāng)檢測終端出現(xiàn)異常時(shí)會停止當(dāng)前動(dòng)作等待人工處理。檢測終端測定的數(shù)據(jù)、信息等可以在檢測終端顯示屏上顯示。

服務(wù)器對檢測終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和儲存后，用戶終端可對檢測終端化學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行編輯，并將服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示。

1.1 檢測終端設(shè)計(jì)

化學(xué)需氧量檢測終端將MCU作為控制部分，連接溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、溫度控制模塊、液體控制部分、光照控制部分、報(bào)警模塊、通信模塊和顯示屏等，如圖3所示。

圖3 檢測終端硬件結(jié)構(gòu)

（1）MCU：微處理器選擇意法半導(dǎo)體的STM32F407系列，該系列可在小封裝內(nèi)提供高集成度、高性能、低功耗的嵌入式存儲器和外設(shè)，主要面向醫(yī)療、工業(yè)與消費(fèi)類應(yīng)用。STM32F407提供了工作頻率為168 MHz的CortexTM-M4內(nèi)核，保障了在線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

（2）溫度傳感器與溫度控制：由于溫度會影響消解過程，從而影響標(biāo)準(zhǔn)曲線和測量結(jié)果，因此本系統(tǒng)通過MCU計(jì)算PID實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制，以保證環(huán)境條件的穩(wěn)定，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（3）液體控制：通過小細(xì)分步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)液體泵，可精準(zhǔn)加入樣液與試劑。

（4）光照控制：通過數(shù)控恒流源供525 nm激光管產(chǎn)生測量所需的不同功率的平行光源。

（5）光照強(qiáng)度傳感器：對透過反應(yīng)容器的平行光進(jìn)行采樣，將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號。

（6）通信模塊：采用W5500以太網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)檢測終端與服務(wù)端的通信。

（7）報(bào)警模塊：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出提示。

檢測終端通過分光光度法測量溶液中待測成分的濃度，將結(jié)果上傳至服務(wù)端儲存。分光光度法的基本原理是朗伯-比爾定律，又稱吸收定律，即當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度（Absorbance, A）與吸光物質(zhì)的濃度（Concentration, C）及吸收層厚度（Length, L）成正比[5]，用公式表示為：

A = KLC

式中，K為摩爾吸光系數(shù)。

檢測終端程序流程如圖4所示。

1.2 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端用于與檢測終端和用戶終端通信，接收并存儲來自檢測終端的結(jié)果數(shù)據(jù)與來自用戶終端的配置數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)。

1.3 用戶終端設(shè)計(jì)

用戶終端使用C#開發(fā)，可以編輯執(zhí)行流程和標(biāo)準(zhǔn)曲線并發(fā)送到服務(wù)端，檢測終端也可從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測終端的外部控制。當(dāng)流程結(jié)束時(shí)，檢測終端上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)端，用戶終端獲取服務(wù)端存儲的結(jié)果數(shù)據(jù)并顯示。

圖4 檢測終端程序流程

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)部分包括系統(tǒng)空測實(shí)驗(yàn)和國標(biāo)CODMn（化學(xué)需氧量高錳酸鹽指數(shù)）檢測實(shí)驗(yàn)。

2.1 系統(tǒng)空測實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行CODMn檢測實(shí)驗(yàn)之前，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，需首先對系統(tǒng)進(jìn)行空測實(shí)驗(yàn)，即對消解反應(yīng)容器在無液體與激光管不同功率的條件下進(jìn)行重復(fù)測量（30次），并記錄光照強(qiáng)度傳感器測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)空測實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)使用的光強(qiáng)度傳感器在525 nm波長點(diǎn)測得的標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度偏差小于3%，該結(jié)果表明該檢測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 國標(biāo)CODMn檢測實(shí)驗(yàn)

根據(jù)水體COD國標(biāo)法規(guī)定（GB 11892—89），取濃度為4.0 mg/L的葡萄糖溶液為標(biāo)準(zhǔn)，配置間隔為0.25 mg/L、梯度為0～4.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)待測水樣[6-7]。以蒸餾水為參照，標(biāo)準(zhǔn)待測水樣為測量對象，經(jīng)過消解后，各自采集525 nm光強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線顯示水體COD的濃度與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，即濃度越高吸光度越大。當(dāng)濃度低于0.5 mg/L時(shí)誤差較大，其余濃度范圍的相對誤差較小，可滿足水體化學(xué)需氧量檢測要求。

3 結(jié) 語

本文采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種基于分光光度法的實(shí)時(shí)、在線檢測COD的水質(zhì)分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有無人值守、實(shí)時(shí)檢測、數(shù)據(jù)云端存儲等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于飲用水、水源水和地面水的COD在線檢測。