水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀

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(wàn)物生存之本，與我們的生活息息相關(guān)。水資源也是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的重要資源之一，其對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。在時(shí)代的不斷演變下，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技，各行業(yè)的發(fā)展得到了不提升。但是隨之而來(lái)的卻是日趨嚴(yán)重的水污染問(wèn)題：各種的排放物增多，各類(lèi)污染物嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致全國(guó)水資源嚴(yán)重匱乏、污染逐漸嚴(yán)重。針對(duì)水資源問(wèn)題的調(diào)研及相關(guān)保護(hù)措施的實(shí)施刻不容緩。在此背景下，水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀應(yīng)運(yùn)而生。本項(xiàng)目以離子選擇性傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合電化學(xué)溶出伏安監(jiān)測(cè)技術(shù)，光尋址電位傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)快速監(jiān)測(cè)技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，采用多種傳感器相結(jié)合，能夠做到快速測(cè)得各既定污染物含量，并實(shí)時(shí)傳送回監(jiān)測(cè)平臺(tái)。針對(duì)不同區(qū)域的不同污染情況，可設(shè)計(jì)不同種類(lèi)污染物的監(jiān)測(cè)設(shè)備，適用于不同污染區(qū)域，具有多節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，有較好的實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)河湖水質(zhì)的有效分析與綜合評(píng)價(jià)。

本項(xiàng)目水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，對(duì)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析法和岸站固定監(jiān)測(cè)柜監(jiān)測(cè)法進(jìn)行綜合以及升級(jí)，克服了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單一、監(jiān)測(cè)設(shè)備體積龐大、不便于攜帶和運(yùn)輸、成本及維護(hù)費(fèi)用昂貴以及不能實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，并創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示、歷史曲線查詢、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋＞唧w為多種傳感器相結(jié)合，快速測(cè)得各既定污染物含量，實(shí)時(shí)傳送回監(jiān)測(cè)平臺(tái)。同時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)還具有超閾值提醒報(bào)警功能，現(xiàn)已拓展到手機(jī)APP 中方便工作人員攜帶和監(jiān)測(cè)。

2 水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀總體框架

本設(shè)計(jì)分為V3S 控制及處理單元、水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(gè)單元組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)原理：將水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器放到所需檢測(cè)的水體中，監(jiān)測(cè)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(cè)到的信號(hào)傳回V3S 中進(jìn)行處理，得到的水質(zhì)情況通過(guò)LCD 液晶屏顯示，同時(shí)水質(zhì)情況也將通過(guò)GPRS 遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)APP中，兩處水質(zhì)情況按設(shè)定的監(jiān)測(cè)頻率實(shí)時(shí)更新，在線顯示。

3 硬件綜合處理

本項(xiàng)目硬件部分包括V3S 控制及處理單元、水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單、人機(jī)交互性好等特點(diǎn)。

3.1 V3S控制及處理單元

水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)量。

（2）ISDC20-L05 溶解氧智慧傳感器：能夠準(zhǔn)確測(cè)量氧氣在水中的溶解，溫度測(cè)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(shí)采集水中溶解氧的數(shù)據(jù)并輸出RS485信號(hào)連接到PLCDCS、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通用控制器、無(wú)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(cè)定水中的氨氮(NH4+-N)的濃度，傳感器使用三個(gè)電極來(lái)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(cè)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(cè)傳感器采集單元如圖3所示。

圖3：水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jí)無(wú)線模塊及嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件支撐平臺(tái)，內(nèi)嵌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP 協(xié)議，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，永遠(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)程管理功能：支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序升級(jí)。

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(cè)二次儀表用以指示、記錄或積算來(lái)自一次儀表的測(cè)量結(jié)果。二次儀表安裝在離工藝管線或設(shè)備較遠(yuǎn)的控制屏上的儀表。用以指示、記錄或積算來(lái)自一次儀表的測(cè)量結(jié)果。通常以電源為動(dòng)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(diǎn)偏差：模擬處理的數(shù)顯儀表≤±2d；

（2）設(shè)定誤差：刻度盤(pán)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(shí)間：數(shù)字處理式儀表等周期時(shí) 25s±5s。

4 系統(tǒng)軟件綜合設(shè)計(jì)

水污染動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀采用的核心控制器件為V3S 控制及處理單元，它主要實(shí)現(xiàn)的功能是監(jiān)測(cè)上傳到單片機(jī)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(guò)顯示模塊顯示，且當(dāng)它的數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出蜂鳴響聲提醒等。主要硬件包括有V3S、LCD1602、HC-05 藍(lán)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(yǔ)言用的是C 語(yǔ)言。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

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(jī)后，上電、PH 探頭放入溶液、顯示屏顯示數(shù)據(jù)、手機(jī)軟件接收相應(yīng)數(shù)據(jù)、蜂鳴器是否報(bào)警，并在判斷報(bào)警后返回初始化值，從而達(dá)到循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水源問(wèn)題。

4.2 串口定義子程序設(shè)計(jì)

這一子程序的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)，以及判定是否發(fā)送完成，發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以及串口發(fā)送的命令。

4.3 存儲(chǔ)器子程序設(shè)計(jì)

在存儲(chǔ)器子程序中，主要定義了存儲(chǔ)的起始地址、寫(xiě)入指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)在指定地址、在指定地址讀取指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)、以及V3S的FLASH 的起始地址。

4.4 蜂鳴器報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

這一子程序中，主要定義了蜂鳴器的報(bào)警條件，當(dāng)采集信號(hào)大于警告信號(hào)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，在最后一行輸出顯示采集到的信號(hào)值和警告信號(hào)值。

4.5 LCD顯示器子程序設(shè)計(jì)

在這一子程序中，主要定義顯示器的各個(gè)引腳的作用及功能，例如指令/數(shù)據(jù)選擇引腳、讀寫(xiě)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(diǎn)等命令。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 實(shí)物測(cè)試過(guò)程

（1）使用萬(wàn)用表等檢測(cè)工具進(jìn)行電路檢查，看看每個(gè)元器件的兩端是否有短路的情況，觀察電路中的各個(gè)焊接點(diǎn)是否有虛焊情況；

（2）在經(jīng)過(guò)仔細(xì)的檢查每一個(gè)可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方后，上電觀察各個(gè)模塊是否能夠正常啟動(dòng)；

（3）將寫(xiě)好的程序燒入單片機(jī)，系統(tǒng)開(kāi)始工作。實(shí)物測(cè)試如圖6所示。

圖6：實(shí)物測(cè)試

5.2 通信模塊及顯示屏測(cè)試

在程序燒入成功后，開(kāi)始根據(jù)功能劃分模塊依次測(cè)試其是否成功實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在測(cè)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(cè)到的數(shù)值及報(bào)警值，二通過(guò)通信模塊與手機(jī)連接將每回測(cè)試到的數(shù)值上傳至手機(jī)，利用APP 顯示并記錄。

在上電后，可以看到數(shù)值已經(jīng)開(kāi)始顯示并傳輸，原因是傳感器內(nèi)帶有一種少量的保護(hù)液體，它也有著數(shù)值，現(xiàn)在顯示的值就是地表水的測(cè)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(dòng)，這時(shí)觀察手機(jī)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(shí)現(xiàn)。圖7為顯示模塊的圖像。

圖7：通信模塊及顯示屏測(cè)試

5.3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)

在顯示模塊成功后，為了測(cè)試監(jiān)測(cè)模塊的準(zhǔn)確性，以PH值為例，準(zhǔn)備了幾種PH 值不同的液體，首先，設(shè)備接通移動(dòng)電源，開(kāi)機(jī)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(jī)成功連接，移動(dòng)端開(kāi)始顯示數(shù)值，準(zhǔn)備的三種測(cè)試液體PH 值分別為PH4.00、PH6.86、PH9.18。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1：測(cè)試數(shù)據(jù)列表

本次實(shí)驗(yàn)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(cè)試的誤差略大，在中性溶液中測(cè)量值低于實(shí)際值，約0.6，堿性溶液中測(cè)量值比實(shí)際值略低，但總體數(shù)據(jù)在誤差可控范圍之內(nèi)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，認(rèn)為數(shù)據(jù)偏差略大的原因有以下幾點(diǎn)：由于盛放液體的容器密封性能不好，幾個(gè)液體之間可能互相有中和問(wèn)題存在；在感應(yīng)探頭放入下一個(gè)溶液中時(shí)，上一個(gè)液體殘留在探頭上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。以上問(wèn)題是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程不嚴(yán)謹(jǐn)而引起的。

在這次試驗(yàn)中，也可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能確實(shí)是成功實(shí)現(xiàn)了，移動(dòng)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(huì)導(dǎo)致移動(dòng)端數(shù)據(jù)出現(xiàn)極其微小誤差。

5.4 不同水源的測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)

為了測(cè)試設(shè)備在戶外工作時(shí)是否能夠準(zhǔn)確測(cè)試，在呂梁市三處不同的水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，分別為馬坊、橫泉水庫(kù)和裴家川口，這三處水的PH 值，氨氮，溶解氧在檢測(cè)前已將相應(yīng)的PH 值，氨氮，溶解氧記錄進(jìn)表2，將檢測(cè)中的數(shù)值同樣記錄表2，方便進(jìn)行對(duì)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(xiàng)目的數(shù)據(jù)對(duì)比列表，在水文站數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比中可知：官方給定的數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差，例如：馬坊地區(qū)所測(cè)得的PH 值比水文站在同一地區(qū)所測(cè)得的數(shù)據(jù)較大，誤差約為0.3；在裴家川口所測(cè)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(duì)比所有數(shù)據(jù)可得，所測(cè)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(cè)地點(diǎn)并不是與水文站檢測(cè)地點(diǎn)完全吻合；同時(shí)，考慮到檢測(cè)時(shí)間、溫度、外界環(huán)境等都會(huì)對(duì)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(duì)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(jí)研發(fā)階段，此文只以PH，氨氮，溶解氧為例，后續(xù)，我們會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)。

6 結(jié)束語(yǔ)

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

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立,改變了原有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決跨區(qū)域記錄的水質(zhì)檢測(cè)情況，通過(guò)新型的水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段可采集高頻次、可靠的水環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)掌握重點(diǎn)斷面的實(shí)時(shí)水質(zhì)狀況，可預(yù)警預(yù)報(bào)水質(zhì)狀況、提高了決策和管理的效率，減少了進(jìn)行人工測(cè)量的頻次，大大提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理的時(shí)效性、可靠性，當(dāng)發(fā)生水體污染事件時(shí)，能夠及時(shí)預(yù)警，掌握污染水體的影響范圍及發(fā)展趨勢(shì)，減少或避免對(duì)居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，同時(shí)通過(guò)掌握水質(zhì)狀況實(shí)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(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源合理分配和調(diào)度管理工作，實(shí)現(xiàn)供水經(jīng)濟(jì)效益最大化，為管理部門(mén)提供決策依據(jù)，便于環(huán)保部門(mén)對(duì)綜合自然環(huán)境進(jìn)行集中整治。