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

摘 要： 結(jié)合嵌入式技術(shù)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種新型多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用ARM9處理器S3C2440A作為主控制器，控制單片機(jī)工作﹑采集光譜數(shù)據(jù)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)作為輔助控制器，對(duì)7種水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量。采用觸摸屏作為人機(jī)交互工具。
關(guān)鍵詞： 多參數(shù)；微小型化；嵌入式技術(shù)；GPRS

在我國(guó)，水污染已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題?，F(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法大多分為兩類(lèi)：(1)采用人工操作的方法，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)龐大，完成測(cè)試過(guò)程所用時(shí)間比較長(zhǎng)。(2)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試的方法，其對(duì)水質(zhì)測(cè)試的參數(shù)比較單一，不能實(shí)時(shí)傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)[1]?；谶@兩類(lèi)方法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所得數(shù)據(jù)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(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)的要求。因此，研制能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行自動(dòng)采樣、多參數(shù)監(jiān)測(cè)﹑自動(dòng)化分析以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(yīng)用范圍越來(lái)越廣。基于該技術(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(diǎn)[2]。而GPRS技術(shù)是為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)量身定做的，該技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、設(shè)備成本低、維護(hù)費(fèi)用低、價(jià)格便宜、適合不定期和長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T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(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。介紹了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(jì)了系統(tǒng)的控制硬件和軟件。
1 系統(tǒng)測(cè)量原理
該系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)的測(cè)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(guò)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(zhǎng)，ε為介質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)。在測(cè)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(cè)溶液比較特定波長(zhǎng)吸收程度的方法，來(lái)獲得P物質(zhì)在被測(cè)溶液中的濃度。為了扣除蒸餾水在該特定波長(zhǎng)處的吸光度值，選用蒸餾水為參比溶液。首先用儀器對(duì)P物質(zhì)的N個(gè)不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)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(shí)際計(jì)算出的標(biāo)定曲線是一條不過(guò)原點(diǎn)的直線。當(dāng)測(cè)量P物質(zhì)在被測(cè)溶液中的未知濃度時(shí)，只需測(cè)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(cè)溶液中P物質(zhì)的濃度。
2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的原理框圖，分為單片機(jī)測(cè)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(shí)現(xiàn)整體控制，通過(guò)對(duì)觸摸屏菜單的操作，對(duì)單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出控制命令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量和依次測(cè)量。然后嵌入式ARM系統(tǒng)通過(guò)微型光譜儀對(duì)光譜數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)水中各個(gè)參數(shù)含量的測(cè)試。而經(jīng)過(guò)測(cè)試之后，可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端管理人員的PC機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)和大江大河環(huán)境水質(zhì)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 單片機(jī)測(cè)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(dòng)泵陣列﹑反應(yīng)測(cè)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(dòng)滑塊上。檢測(cè)時(shí)，單片機(jī)首先控制直線導(dǎo)軌上的移動(dòng)滑塊至第一個(gè)反應(yīng)測(cè)試室，控制蠕動(dòng)泵抽取清水至測(cè)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(kāi)相應(yīng)電磁閥，排除清水；接著利用蠕動(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?jǐn)嚢?，待反?yīng)充分；最后，單片機(jī)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(cè)試室，由微型光譜儀探測(cè)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(shí)第一個(gè)參數(shù)測(cè)試完畢，按照上述步驟可完成水樣中7種參數(shù)含量的測(cè)試。
由于水質(zhì)中各個(gè)參數(shù)的吸收光波長(zhǎng)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(zhǎng)﹑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(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(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)射、人機(jī)對(duì)話(huà)等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。水質(zhì)參數(shù)開(kāi)始檢測(cè)后，首先通過(guò)LCD觸摸屏對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)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(gè)模塊準(zhǔn)備測(cè)試。然后ARM系統(tǒng)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送測(cè)試第一個(gè)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(kāi)光源。這時(shí)，光譜儀的光線探頭定位在第一個(gè)反應(yīng)測(cè)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(shù)據(jù)，待采集完成后，通過(guò)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)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(kāi)始測(cè)試第二個(gè)參數(shù)，直至7個(gè)參數(shù)全部測(cè)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(duì)GPRS模塊操作。測(cè)試完成之后，ARM處理器對(duì)已存儲(chǔ)參數(shù)的濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)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(zhǎng)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(mén)子公司生產(chǎn)的MC35I，該模塊支持GPRS Class 8級(jí)以及短信功能。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理
多參數(shù)微小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由參數(shù)標(biāo)定部分、參數(shù)吸光度值采集和處理、GPRS無(wú)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(jì)
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(cè)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(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)。測(cè)試第一個(gè)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(chǔ)在FLASH中，直至第七個(gè)參數(shù)測(cè)試完畢。此時(shí)，處理器根據(jù)存儲(chǔ)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(cè)溶液的參數(shù)吸光度值時(shí)，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(jì)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(cè)試時(shí)可能會(huì)存在隨機(jī)誤差，由誤差理論可知，當(dāng)測(cè)量次數(shù)無(wú)限增大時(shí)，隨機(jī)誤差趨向于零，測(cè)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(cè)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(cè)試都是10次測(cè)量，所以本系統(tǒng)已從軟件設(shè)計(jì)考慮，減少了系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。
3.2 GPRS無(wú)線傳輸和控制設(shè)計(jì)
GPRS無(wú)線傳輸和控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)GPRS的收發(fā)短信實(shí)現(xiàn)的。在使用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，首先利用PPP撥號(hào)，使GPRS模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN建立一條邏輯通路，從而實(shí)現(xiàn)與Internet的無(wú)線連接，連接完成之后就可以實(shí)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(guò)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(shuō)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(shuō)明PC機(jī)端沒(méi)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(shuō)明PC機(jī)端向ARM系統(tǒng)發(fā)送命令，這樣就可以使測(cè)試人員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)也能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。圖4為GPRS短信收發(fā)流程圖。

在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)樣機(jī)的各個(gè)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合調(diào)試。測(cè)試結(jié)果顯示，各個(gè)機(jī)構(gòu)的控制精度很高且工作速度也符合設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)和 GPRS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，與目前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(jiān)控等特點(diǎn)。不僅保證了監(jiān)控人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地收到多參數(shù)微型水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)也能夠及時(shí)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(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)了真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。
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