雒珊 雒衛(wèi)廷

（呂梁學(xué)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(guān)。水資源也是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源之一，其對維護生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性、促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展有重要意義。在時代的不斷演變下，我國的社會經(jīng)濟、科技，各行業(yè)的發(fā)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(dǎo)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(diào)研及相關(guān)保護措施的實施刻不容緩。在此背景下，水污染動態(tài)實時監(jiān)測儀應(yīng)運而生。本項目以離子選擇性傳感器監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)，融合電化學(xué)溶出伏安監(jiān)測技術(shù)，光尋址電位傳感器監(jiān)測技術(shù)和計算機快速監(jiān)測技術(shù)等多學(xué)科知識，采用多種傳感器相結(jié)合，能夠做到快速測得各既定污染物含量，并實時傳送回監(jiān)測平臺。針對不同區(qū)域的不同污染情況，可設(shè)計不同種類污染物的監(jiān)測設(shè)備，適用于不同污染區(qū)域，具有多節(jié)點、應(yīng)用靈活的優(yōu)點，有較好的實用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對河湖水質(zhì)的有效分析與綜合評價。

本項目水污染動態(tài)實時監(jiān)測儀，對傳統(tǒng)的現(xiàn)場人工采樣實驗室分析法和岸站固定監(jiān)測柜監(jiān)測法進行綜合以及升級，克服了監(jiān)測數(shù)據(jù)單一、監(jiān)測設(shè)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(jiān)測等缺點，并創(chuàng)新實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集與顯示、歷史曲線查詢、遠程無線傳輸?shù)裙δ?。具體為多種傳感器相結(jié)合，快速測得各既定污染物含量，實時傳送回監(jiān)測平臺。同時監(jiān)測平臺還具有超閾值提醒報警功能，現(xiàn)已拓展到手機APP 中方便工作人員攜帶和監(jiān)測。

2 水污染動態(tài)實時監(jiān)測儀總體框架

本設(shè)計分為V3S 控制及處理單元、水質(zhì)監(jiān)測傳感器采集單元、GPRS 通信單元、LCD 液晶屏顯示單元、物聯(lián)網(wǎng)云端顯示單元五個單元組成。系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計原理圖

水污染動態(tài)實時監(jiān)測儀設(shè)計原理：將水質(zhì)監(jiān)測傳感器放到所需檢測的水體中，監(jiān)測水體中的溫度(℃)，PH，氨氮(ppm)，溶解氧(mg/L)等水質(zhì)參數(shù)，所監(jiān)測到的信號傳回V3S 中進行處理，得到的水質(zhì)情況通過LCD 液晶屏顯示，同時水質(zhì)情況也將通過GPRS 遠程無線傳輸?shù)绞謾CAPP中，兩處水質(zhì)情況按設(shè)定的監(jiān)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(zhì)監(jiān)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(tài)實時監(jiān)測儀采用V3S 作為控制及處理單元，CPUARM Cortex-A7 架構(gòu)，集成HawkView ISP，最大支持5M 處理，支持1080P@60fps H.264 編碼及1080P MJEPG 轉(zhuǎn)1080P H.264 重編碼，內(nèi)置64M DRAM，低功耗、低發(fā)熱。如圖2所示。

圖2：V3S 控制及處理單元

3.2 水質(zhì)監(jiān)測傳感器采集單元

（1）PH 值傳感器：高智能化在線連續(xù)監(jiān)測儀，由傳感器和二次表兩部分組成?？膳淙龔?fù)合或兩復(fù)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(dǎo)率小于3μs/cm 的水質(zhì)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?qū)崟r采集水中溶解氧的數(shù)據(jù)并輸出RS485信號連接到PLCDCS、工業(yè)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(shè)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(yīng)用包括監(jiān)測環(huán)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(zhì)監(jiān)測傳感器采集單元如圖3所示。

圖3：水質(zhì)監(jiān)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(yè)級無線模塊及嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)作為軟件支撐平臺，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP 協(xié)議，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，永遠在線的透明數(shù)據(jù)傳輸通道。通信功能：支持GPRS 和短消息雙通道傳輸數(shù)據(jù)；支持與多中心進行數(shù)據(jù)通信。采集功能：采集串口設(shè)備數(shù)據(jù)，如串口儀表、采集器、PLC 等。遠程管理功能：支持遠程參數(shù)設(shè)置、程序升級。

圖4：GPRS 通信單元

3.4 LCD液晶屏顯示單元

水質(zhì)多參數(shù)在線監(jiān)測二次儀表用以指示、記錄或積算來自一次儀表的測量結(jié)果。二次儀表安裝在離工藝管線或設(shè)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(jié)果。通常以電源為動力，有模擬或數(shù)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(shè)定點偏差：模擬處理的數(shù)顯儀表≤±2d；

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

（3）可設(shè)置范圍：數(shù)字處理式儀表≥1 ～100%F.S；

（4）回差：數(shù)字處理的儀表0.2 ～20 間可調(diào)；

（5）周期時間：數(shù)字處理式儀表等周期時 25s±5s。

4 系統(tǒng)軟件綜合設(shè)計

水污染動態(tài)實時監(jiān)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(xiàn)的功能是監(jiān)測上傳到單片機的數(shù)據(jù)，判斷是否超出預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，并將數(shù)據(jù)通過顯示模塊顯示，且當(dāng)它的數(shù)值大于設(shè)定值時，發(fā)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(shè)計

軟件主要包括：主程序、獲取PH 值子程序、設(shè)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(shù)據(jù)、手機軟件接收相應(yīng)數(shù)據(jù)、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(huán)，實時監(jiān)測水源問題。

4.2 串口定義子程序設(shè)計

這一子程序的設(shè)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(fā)送緩存的指針、計數(shù)，以及判定是否發(fā)送完成，發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，以及串口發(fā)送的命令。

4.3 存儲器子程序設(shè)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(shù)據(jù)在指定地址、在指定地址讀取指定長度的數(shù)據(jù)、以及V3S的FLASH 的起始地址。

4.4 蜂鳴器報警子程序設(shè)計

這一子程序中，主要定義了蜂鳴器的報警條件，當(dāng)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(shè)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(shù)據(jù)選擇引腳、讀寫引腳、使能引腳、8 位/4 位數(shù)據(jù)操作端口，以及清屏和返回原點等命令。

5 系統(tǒng)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(jīng)過仔細的檢查每一個可能出現(xiàn)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(tǒng)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(jù)功能劃分模塊依次測試其是否成功實現(xiàn)，現(xiàn)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(shù)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(shù)值上傳至手機，利用APP 顯示并記錄。

在上電后，可以看到數(shù)值已經(jīng)開始顯示并傳輸，原因是傳感器內(nèi)帶有一種少量的保護液體，它也有著數(shù)值，現(xiàn)在顯示的值就是地表水的測量值，可以看到當(dāng)數(shù)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(shù)值，所以顯示模塊功能成功實現(xiàn)。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(jié)果及數(shù)據(jù)

在顯示模塊成功后，為了測試監(jiān)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(shè)備接通移動電源，開機為系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)。

表1：測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表，可以看出，此次系統(tǒng)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(shù)據(jù)在誤差可控范圍之內(nèi)。經(jīng)過仔細檢查，認為數(shù)據(jù)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(yīng)探頭放入下一個溶液中時，上一個液體殘留在探頭上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能確實是成功實現(xiàn)了，移動端與顯示屏的數(shù)據(jù)一致，但在數(shù)據(jù)傳輸中由于數(shù)據(jù)更新次數(shù)較為頻繁，在偶然情況下會導(dǎo)致移動端數(shù)據(jù)出現(xiàn)極其微小誤差。

5.4 不同水源的測試結(jié)果及數(shù)據(jù)

為了測試設(shè)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(jiān)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(yīng)的PH 值，氨氮，溶解氧記錄進表2，將檢測中的數(shù)值同樣記錄表2，方便進行對比。

表2：PH 值數(shù)據(jù)列表

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

表3：氨氮數(shù)據(jù)列表

表4：溶解氧數(shù)據(jù)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(huán)境等都會對數(shù)據(jù)造成一定影響，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在一定誤差。

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

6 結(jié)束語

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

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的建立,改變了原有的水質(zhì)監(jiān)測模式，實現(xiàn)了水質(zhì)的實時監(jiān)測和遠程監(jiān)控，解決跨區(qū)域記錄的水質(zhì)檢測情況，通過新型的水質(zhì)自動化監(jiān)測手段可采集高頻次、可靠的水環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠及時掌握重點斷面的實時水質(zhì)狀況，可預(yù)警預(yù)報水質(zhì)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(huán)境監(jiān)測管理的時效性、可靠性，當(dāng)發(fā)生水體污染事件時，能夠及時預(yù)警，掌握污染水體的影響范圍及發(fā)展趨勢，減少或避免對居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，同時通過掌握水質(zhì)狀況實現(xiàn)科學(xué)調(diào)度，處理好需求供水和取水的關(guān)系，能更好地實現(xiàn)區(qū)域水資源合理分配和調(diào)度管理工作，實現(xiàn)供水經(jīng)濟效益最大化，為管理部門提供決策依據(jù)，便于環(huán)保部門對綜合自然環(huán)境進行集中整治。