姜子豪，李 文，張志永，張 鵬

（北方工業(yè)大學 機電研究所，北京 100043）

在水質(zhì)檢測方法方面，光譜法是現(xiàn)代水質(zhì)檢測中發(fā)展較為迅速的一個方向。光譜法包括高光譜遙感成像技術(shù)、原子吸收光譜法、熒光光譜法、紅外光譜法、吸收光譜分析法等。其中：高光譜測量難以滿足對細小水體的監(jiān)測；原子吸收光譜法檢測中能量消耗大、價格昂貴；熒光光譜法存在熒光淬滅效應和散射光干擾；紅外光譜法難以適應復雜環(huán)境，靈敏度不高；而基于吸收光譜分析的寬光譜檢測具有測量范圍寬、檢測參數(shù)多、準確度高、速度快、操作簡便、易實現(xiàn)微型化、自動化和連續(xù)檢測的優(yōu)點。針對當前廣域水環(huán)境監(jiān)測難以實現(xiàn)網(wǎng)格化監(jiān)測的情況，本文設計一種基于嵌入式技術(shù)的遠程寬光譜多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。整體系統(tǒng)包括采樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸及控制系統(tǒng)和人機交互界面。其中負責遠程數(shù)據(jù)傳輸及控制系統(tǒng)的DTU（Data Transfer Unit）設備選用STM32F103 作為主芯片，以A7600C LTE4G 作為通信模塊。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)選用Cortex?A7 架構(gòu)單核CPU?i.MX6UL 的工控機，使用Qt 作為開發(fā)環(huán)境，同時采用模塊化設計，以便于后續(xù)系統(tǒng)維護和升級。檢測參數(shù)包括化學需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、總氮（TN）三種水質(zhì)參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設計

寬光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)包括采樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸及控制系統(tǒng)和人機交互界面，如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集水樣發(fā)送到檢測池完成數(shù)據(jù)檢測，為降低干擾，對檢測數(shù)據(jù)進行降噪、平滑濾波，使檢測結(jié)果更加準確。將處理后的檢測結(jié)果通過數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。通過人機交互界面實現(xiàn)試驗顯示，并對后期現(xiàn)場測試、應用、維護與系統(tǒng)升級提供支持。本文設計的水質(zhì)監(jiān)測設備以原位檢測為主，對同一區(qū)域而言，水體環(huán)境相對穩(wěn)定，可根據(jù)實際情況對水樣的深度、采樣地點做適當調(diào)整。在水樣采樣系統(tǒng)外部增加過濾網(wǎng)可以增加檢測的精度，降低水體濁度或水藻等雜質(zhì)的干擾。

圖1 系統(tǒng)原理圖

寬光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)整體設計如圖2 所示。

圖2 寬光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

2 電路部分設計

遠程傳輸及控制系統(tǒng)電路部分主要包括電源模塊、STM32 最小系統(tǒng)、4G 模塊和串行通信模塊。DTU 設備連接了采樣系統(tǒng)和遠程終端，完成控制系統(tǒng)檢測流程、檢測時間及數(shù)據(jù)上傳。

2.1 電源模塊

電源是電路設計的基礎(chǔ)，良好的電源模塊可以保證設備工作穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)整體需求，電路采用12 V 輸入電壓，經(jīng)過反相器轉(zhuǎn)換為-12 V。采用DC?DC 模塊將輸入電壓降至5 V，為RS 232 串口供電。采用LDO 模塊完成5 V 降壓至3.8 V 和3.3 V，分別為4G 模塊和STM32最小系統(tǒng)的標準工作電壓。

2.2 功能模塊

2.2.1 最小系統(tǒng)

DTU設備的最小系統(tǒng)主芯片選用STM32F103VET6。該芯片作為一款擁有大量庫函數(shù)的核心主芯片，便于進行二次開發(fā)，它具有3.3 V 工作電壓，最大72 MHz 的主頻，32 位RAM 內(nèi)核，5 個USART、118 個GPIO 以及16 個外部中斷?？梢酝ㄟ^UART 或USB 進行在線調(diào)試，內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換將采集的寬光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；采用W25Q64 作為FLASH，存儲運行過程中需要和采集到的數(shù)據(jù)，包括標準曲線、故障信息、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)；采用GPIO 控制監(jiān)測系統(tǒng)外部繼電器。

2.2.2 4G 模塊

4G 模塊采用A7600C 進行通信，具有尺寸小、功耗低、拓展能力強、硬件接口豐富等優(yōu)點。可以根據(jù)開發(fā)者需求，應用內(nèi)置的多種網(wǎng)絡協(xié)議，通過串口與CPU 通信，將STM32 中的數(shù)據(jù)通過無線通信上傳至終端。

2.2.3 串行通信模塊

該電路板設計有兩種類型串口通信，分別為RS 232和RS 485，完成控制整個檢測流程和傳感器數(shù)據(jù)的采集和上報。RS 232 選取SP3232EN 作為轉(zhuǎn)換芯片，RS 485 選擇MAX485作為RS 485差分總線收發(fā)器，用于數(shù)據(jù)通信。

3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

3.1 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)用于水樣的采集，主要由過濾網(wǎng)、管路、蠕動泵、注射泵、沉淀池、檢測池構(gòu)成。水樣經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，通過蠕動泵抽入沉淀池靜置沉淀一段時間，再由氣泵將沉淀后的水樣抽入檢測池并鼓泡清洗，清洗后排出并重復上水，進行檢測。面對復雜的水體環(huán)境，該系統(tǒng)經(jīng)過過濾和沉淀后將水樣抽取到檢測池進行檢驗，雖然增加檢測時間，但降低外部環(huán)境干擾，增加檢測的穩(wěn)定性和精準性。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由光源、光譜儀、光纖、工控機、檢測池、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DTU）、電源等7 部分組成，其流程圖如圖3 所示。檢測前需要對光源進行預熱以降低干擾，預熱后通過光纖將入射光傳輸至檢測池，再經(jīng)由光纖將透射光傳輸?shù)焦庾V儀計算吸光度。通過USB 連接工控機進行數(shù)據(jù)降噪后發(fā)送至DTU 設備帶入數(shù)學模型得出濃度值，最后經(jīng)由4G 傳輸?shù)浇K端。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程

3.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

由于朗伯?比爾定律的疊加性，在混合溶液中，不同檢測參數(shù)的光譜曲線相疊加，使混合溶液光譜更加復雜且噪聲更多，直接測量存在較大誤差。因此，經(jīng)過均值、降噪處理后對不同的參數(shù)選擇不同的模型進行計算。在對COD、TN、TOC 混合溶液檢測時，首先對混合光譜數(shù)據(jù)求導，得出導數(shù)光譜，建立數(shù)學模型，反演出COD、TN、TOC 的值。

3.3.1 光譜降噪

在對光譜降噪的研究中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)小波變換和平滑處理混合處理后，能得到效果更好的檢測結(jié)果。在應用小波變換時，不同的小波函數(shù)降噪原理不同，并且隨著分解尺度的提升，光譜曲線愈加平滑但平滑誤差增大。在研究中對比了Bior、DB1~DB7 對降噪的影響，最終采用DB5 進行小波變換對光譜降噪。圖4 為混合溶液多濃度光譜經(jīng)小波變換前后光譜圖比較。對比發(fā)現(xiàn)，小波變換后的數(shù)據(jù)噪聲明顯減少，在各個波峰位置有了明顯的區(qū)分。

圖4 多濃度混合光譜小波變換前后比較

3.3.2 光譜平滑處理

savitzky?Golay 濾波是一種在時域內(nèi)基于局域多項式最小二乘法擬合的濾波方法，具有去除噪聲同時盡可能保證信號形狀和寬度不變的特性，應用時窗口大小越大，擬合過程中采樣點越多，曲線越平滑。經(jīng)過小波變換后的混合光譜數(shù)據(jù)存在毛刺，在求導過程中會產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，難以區(qū)分各種參數(shù)的波長位置。因此，采用savitzky?Golay 函數(shù)、窗口大小7 進行平滑處理，既保留了圖形特征，又去除了曲線毛刺。平滑處理前后的對比如圖5 所示。

圖5 平滑處理前與平滑處理后光譜圖

數(shù)據(jù)處理流程如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

3.3.3 數(shù)據(jù)處理平臺硬件搭建

由于光譜數(shù)據(jù)比較大，且需要進行算法處理，運算量大；而STM32 運算能力差，難以滿足對光譜數(shù)據(jù)的處理，因此選擇一款功耗低、數(shù)據(jù)處理能力強的Cortex?A7架構(gòu)單核CPU?i.MX6UL。該芯片具有512 MHz 主頻、512 MB 內(nèi)存、8 GB ROM，運算能力強大；且包括4 路IC、2 路USB、8 路串口等，外設豐富，足夠滿足該系統(tǒng)的應用；同時搭載一塊7 英寸24 位色的LCD 屏幕，在保證顯示清晰的情況下，足夠節(jié)約功耗。

該數(shù)據(jù)處理平臺采用Linux 嵌入式系統(tǒng)，版本號3.14.38，是由Linux 操作系統(tǒng)進行修改而來。該系統(tǒng)能夠在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行，其最大的特點是開放源代碼、開發(fā)速度快。在該軟件系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)的提取與處理、校正、傳輸、人工交互界面的顯示等功能。在人機交互界面設計時，使用Qt 作為開發(fā)環(huán)境。Qt 是一個由Qt Company 開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序，API 豐富，支持2D/3D 圖形渲染，并且容易擴展，易于為后續(xù)程序的升級提供條件。

4 人機交互界面設計

為了便于顯示測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試，在此增加了人機交互界面。人機交互界面主要具有登錄界面、參數(shù)顯示、用戶權(quán)限設置、網(wǎng)絡設置、系統(tǒng)調(diào)試、數(shù)據(jù)校正、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。登錄界面與主界面如圖7、圖8所示。

圖7 登錄界面

圖8 主界面

設備出廠前和現(xiàn)場應用時需要進行數(shù)據(jù)校正，以減少不同水體環(huán)境的相關(guān)誤差，使檢測的水質(zhì)參數(shù)更為精準。數(shù)據(jù)校準界面包括測量值、真實值、溫度、保存等，如圖9 所示。在校準時，采用以溫度為基準的分段校正，首先選擇校正點數(shù)并對應相應的數(shù)據(jù)模型，再輸入真實值進行校準。

圖9 數(shù)據(jù)校準界面

在調(diào)試時，輸入密碼進入調(diào)試模式，通過界面的on/off 按鈕打開光源，可手動、自動保存光源暗背景、白背景，然后點擊測量即可測量參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)以文件的方式存儲在系統(tǒng)里，保存時間為1 年，支持自動清除功能，其界面如圖10 所示。

圖10 歷史數(shù)據(jù)界面

為了方便調(diào)試，除了通過上位機輸入網(wǎng)絡模式外，系統(tǒng)還支持交互界面輸入，以便于現(xiàn)場人員根據(jù)實際服務器提供的賬號進行網(wǎng)絡設置。網(wǎng)絡設置界面包括設備ID、網(wǎng)絡ID、采樣通道、端口號4部分，界面顯示見圖11。

圖11 網(wǎng)絡設置界面

5 遠程數(shù)據(jù)傳輸及控制系統(tǒng)

5.1 遠程傳輸及控制系統(tǒng)的原理設計

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DTU）及控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，設置檢測池上水排水時間、氣泵鼓泡時間和設備預熱時間。該系統(tǒng)的原理圖如圖12 所示。首先開啟各部分電源，蠕動泵上水至沉淀池沉淀，待光源充分預熱后，打開注射泵上水至檢測池，上水完畢后鼓泡清洗并排出，再次進行上水流程，進行檢測。當檢測完成后，數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣系統(tǒng)到DTU，DTU 通過4G 將數(shù)據(jù)上傳到終端，完成實時檢測。

圖12 遠程傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)原理圖

5.2 遠程傳輸及控制系統(tǒng)的程序設計

多參數(shù)檢測系統(tǒng)的遠程傳輸及控制程序設計包括定時數(shù)據(jù)傳輸，檢測流程控制和數(shù)據(jù)校正算法等。主要以STM32、μC/OS?Ⅱ為操作系統(tǒng)搭建開發(fā)環(huán)境，建立寬光譜多參數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng)控制與信號處理的軟件框架。μC/OS?Ⅱ被廣泛應用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器，具有強大的二次開發(fā)基礎(chǔ)、優(yōu)秀的可移植性、也可以進行時間控制，運行效率高，適用于實時監(jiān)測系統(tǒng)。圖13 所示為主要程序數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)發(fā)送的流程框圖。

圖13 主要軟件程序框圖

6 實驗與分析

對COD、TN、TOC 三種水質(zhì)參數(shù)進行實驗，所配混合溶液濃度值如表1 所示。

表1 所配濃度混合溶液濃度 mg/L

經(jīng)過測試，實驗結(jié)果如表2 所示。其中COD 重復性誤差為7.4%，小于標準所要求的±10%；零點漂移測得0.07 mg/L，在標準允許±5 mg/L 誤差范圍內(nèi)。TN 的重復性誤差為5.56%，相對標準差為-3.1%，符合行業(yè)標準±10%的要求。TN 的直線性為-2.52%，符合行業(yè)標準±10%的要求。TOC 重復性誤差為3.79%；相對標準差為0.37%，符合行業(yè)標準±5% 的要求；直線性為-1.99%，符合總有機碳（TOC）行業(yè)標準±5%的要求。

表2 實驗測試結(jié)果

7 結(jié) 語

本文基于嵌入式技術(shù)設計一款遠程寬光譜多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，對其關(guān)鍵軟硬件進行介紹，并對COD、總氮、總有機碳三種水質(zhì)參數(shù)進行實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測參數(shù)均符合行業(yè)標準，可為寬光譜水質(zhì)檢測應用和水質(zhì)多參數(shù)檢測后續(xù)拓展提供參考。