基于STM32 的地下水分層智能采樣器設(shè)計

宋云亮,王家忠,張建偉

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文 地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定，071051）

在京津冀地區(qū)地下水作為重要的飲用水源，占地下水比例的70%以上，其保護(hù)工作尤為重要。在地下水污染調(diào)查中，地下水采樣技術(shù)是地下水污染監(jiān)測網(wǎng)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，它決定地下水污染監(jiān)測的代表性和準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)地下水采樣方法多為單一混合采樣，該方法受地下水流向的季節(jié)性變動或降水波動影響較大［1］，采集的水樣無法代表各個含水層的水質(zhì)狀況，該方法常用于對采樣精度要求不高的場合［2-3］。對同一個采樣點(diǎn)的不同深度進(jìn)行分層采樣和監(jiān)測，可以更加準(zhǔn)確地獲取污染物的實(shí)際遷移特征。

為獲取各個水層的地下水樣本，國內(nèi)外采用了建設(shè)多個不同深度的監(jiān)測井或在單孔井將采樣器放置在不同深度進(jìn)行采樣的方式以及采用充氣式封隔器對不同深度的水位進(jìn)行分層的方法。該方法建井成本較高，同時將采樣器放在不同深度和采用充氣式封隔器使用較為繁瑣，監(jiān)測頻率低且需要較多勞動力［4-6］。國內(nèi)在采集地下水樣時普遍使用貝勒管、慣性泵、氣囊泵、取樣筒以及潛水泵等采樣器。采樣過程中，由于采樣設(shè)備上下晃動或者流量較大等原因，采集的水樣容易被干擾，失去代表性。采用低流量（0.1 ～1.0 L/min）采樣法可降低對含水層的干擾，提高采樣的準(zhǔn)確度和精度［7-11］。

國外常用的地下水分層采樣系統(tǒng)有Waterloo System、Water FLUTe System、 以 及Westbay MP System［13-15］。CMT System 采用單口井內(nèi)放置1 根蜂窩狀采樣管并在不同深度開口的方式進(jìn)行分層采樣；Waterloo System 和 Westbay MP System 利用專用封隔器和采樣泵采集不同水位的地下水；Water FLUTe System 將采樣管下到指定目標(biāo)層，通過加壓的方式并對目標(biāo)層水樣進(jìn)行提取。這些采樣系統(tǒng)成本較高，需要配備專門的采樣設(shè)備。

針對地下水采樣過程繁瑣、采樣成本高等問題，為滿足京津冀地下水低擾動、低流量、分層采樣的要求，筆者研發(fā)了基于STM32 的智能型分層采樣器，實(shí)現(xiàn)一孔多層的地下水低流量低擾動的自動化采集，并為構(gòu)建模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化地下水監(jiān)測預(yù)警與大數(shù)據(jù)信息處理平臺提供樣品來源。與現(xiàn)有地下水分層采樣相比，能夠大大的節(jié)省勞動力，降低監(jiān)測成本，提高采樣效率。

1 試驗(yàn)井分層方案及地下水分層采樣器的整體方案

1.1 試驗(yàn)井分層方案

試驗(yàn)井分層信息如圖1 所示。

采樣試驗(yàn)選在北京張家灣試驗(yàn)井進(jìn)行。據(jù)調(diào)查，該地區(qū)主要為重金屬污染，有機(jī)物含量較少。試驗(yàn)井成井深度為53 m，采樣深度為50 m，采用反循環(huán)鉆機(jī)成井，一徑到底，井管直徑為225 mm。根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)井分3 層，止水位置分別為14.5 ～22.5 m 和30 ～36 m。

1.2 地下水分層采樣器的整體方案

采樣器用于實(shí)現(xiàn)同一監(jiān)測點(diǎn)，不同水層地下水的洗井與水樣的低流量、低擾動采集。監(jiān)測地下水分層封隔效果，排除井孔滯水的影響，使采集的水樣具有代表性。

在采集過程中，為獲取不同層面的地下水，利用自膨脹封隔器分隔，選用螺桿泵進(jìn)行分層提取。為實(shí)現(xiàn)低流量、低擾動采樣，采用螺桿泵與變頻器配合使用。采樣整體方案如圖2 所示。

監(jiān)測平臺通過大數(shù)據(jù)分析，通過物聯(lián)網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信。采樣器依據(jù)上位機(jī)的指令對變頻器控制以及頻率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同流量的采樣。通過水位監(jiān)測探頭判斷井下水位變化以及自膨脹橡膠封隔器的封隔效果。在流通池中放置集溫度、壓力、電導(dǎo)率為一體的多參數(shù)傳感器，用于排除地下水井孔滯水的影響，獲取新鮮的地下水。通過真值判定實(shí)現(xiàn)采樣系統(tǒng)電源通斷、水樣參數(shù)自動采集與判定、控制水樣的給排、終端指令處理、數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能。工作流程如圖3 所示。

圖3 采樣工作流程圖Fig.3 Flow chart of sampling work

采樣器的工作過程為：

（1）采樣器在接收到上位機(jī)的采集命令后，打開對應(yīng)水層的變頻器，并將設(shè)定的采樣頻率通過RS485 發(fā)送給變頻器。

（2）變頻器按指定頻率對螺桿泵進(jìn)行控制，將采集的地下水灌輸?shù)搅魍ǔ刂小?/p>

（3）流通池中的多參數(shù)傳感器對采集的水樣進(jìn)行判定，以排除井孔滯水的影響。

（4）判定水樣穩(wěn)定之后，傳感器將數(shù)據(jù)通過RS485通訊線纜傳輸給采樣器，采樣器發(fā)送給上位機(jī)。

（5）上位機(jī)控制分析儀工作，數(shù)據(jù)分析結(jié)束后，向上位機(jī)返回分析結(jié)果。上位機(jī)通知采樣器關(guān)閉電磁閥進(jìn)行排水。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)采樣器設(shè)計要求，采樣器硬件系統(tǒng)以STM32 為核心，由電源電路、螺桿泵控制電路、電磁閥控制電路、RS485 通訊電路、USB 電路以及SD卡存儲電路、RTC 電路等組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采樣器硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure

其中，電源電路主要用于為儀器內(nèi)部芯片以及變頻器和排水電磁閥提供電源；RS485 電路主要用于與水位監(jiān)測探頭以及多參數(shù)傳感器通訊并讀取數(shù)據(jù)，并與變頻器進(jìn)行通訊以調(diào)節(jié)采樣泵流量；存儲電路主要用于存儲水位監(jiān)測探頭采集的地下水水位信息以及多參數(shù)傳感器采集的水樣溫度和電導(dǎo)率等信息，地下水需要長期監(jiān)測，數(shù)據(jù)量較大，單片機(jī)的存儲無法滿足；存儲電路保證數(shù)據(jù)的正常存儲。

2.1 水位監(jiān)測探頭、傳感器以及變頻器選擇

水位監(jiān)測探頭采用瑞士Keller 公司的10 L 壓阻式OEM 壓力傳感器。該傳感器自帶CPU 并支持RS485 通訊，精度可達(dá)0.007%FS。

多參數(shù)傳感器采用In-Situ 公司的Aqua TROLL 200 數(shù)據(jù)記錄儀，其參數(shù)如表1 所示。

表1 Aqua TROLL 200 數(shù)據(jù)記錄儀參數(shù)Table 1 Aqua TROLL 200 data logger parameters

依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164－2004）的要求可知，在采集電導(dǎo)率時，需采用誤差不超過1%的電導(dǎo)率儀測定；采集溫度時，連續(xù)監(jiān)測2 次，其差不大于0.4 ℃時，監(jiān)測合格。該多參數(shù)傳感器能夠滿足要求。

變頻器選用廣州三晶電氣有限公司的8000B增強(qiáng)型變頻器，其工作頻率為0 ～50 Hz，支持MODBUS 協(xié)議，可采用RS485 通訊，便于攜帶安裝。

2.2 電源電路

為實(shí)現(xiàn)對采樣系統(tǒng)中采樣泵的啟?？刂埔约邦l率的調(diào)節(jié)，該儀器采用了AC220 V 供電。排水電磁閥需要12 V 電壓，儀器內(nèi)部的芯片大多采用5 V 和3.3 V 進(jìn)行供電。電源供電等級如表2 所示。

表2 電源供電等級Table 2 Power supply

2.3 MCU

MCU 作為采樣器的核心，主要完成與上位機(jī)的通訊與指令分析，水位檢測探頭與多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的采集與分析。本文采用了STM32 系列單片機(jī)STM32F103RD，工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部具有384 KFlash 和96 K SRAM，良好的性能能夠保證數(shù)據(jù)的采集以及處理，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性［16-17］。此外該單片機(jī)集成了豐富的外設(shè)資源和接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲和傳輸。

2.4 電磁閥控制電路

電磁閥控制電路主要用于排出流通池內(nèi)多余的水，其電路如圖5 所示。

如果建立一個穩(wěn)定的模式，能夠不斷復(fù)制是最好的。但問題在于，外部的環(huán)境和內(nèi)部的資源是在不斷變化的，模式不可能一勞永逸，當(dāng)內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化時，企業(yè)的生存會遇到挑戰(zhàn)。另外，如果總是簡單的重復(fù)，員工的熱情也會喪失。

圖5 排水電磁閥控制電路Fig.5 Power control circuit for drain solenoid valve

電磁閥控制回路采用光耦隔離電路，輸出回路利用PMOS 管對電磁閥進(jìn)行通斷控制。當(dāng)PA1 為低電平時，光耦導(dǎo)通，經(jīng)電阻分壓后，PMOS 管的柵極G 的電壓低于源極S，此時電路導(dǎo)通。

2.5 螺桿泵控制電路

螺桿泵控制電路通過對繼電器K2和K3控制實(shí)現(xiàn)對變頻器以及螺桿泵的控制，防止負(fù)載電路中紋波和噪聲的干擾。采樣器通過RS485 設(shè)定采樣頻率，變頻器依據(jù)采樣頻率調(diào)節(jié)采樣泵的轉(zhuǎn)速。螺桿泵控制電路如圖6 所示。

圖6 螺桿泵控制電路Fig.6 Screw pump control circuit

3 軟件設(shè)計

在水樣采集過程中，需將井孔內(nèi)的滯水排除干凈，其判斷依據(jù)是滯水清洗指標(biāo)參數(shù)（電導(dǎo)率、溫度）達(dá)到穩(wěn)定或排水總?cè)莘e大于3 ～5 倍滯水容積。穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是持續(xù)測量中獲得3 個連續(xù)穩(wěn)定讀數(shù)。

3.1 真值判定

在判定過程中，每隔一分鐘讀取多參數(shù)傳感器的電導(dǎo)率和溫度數(shù)值。設(shè)讀取的前1 個電導(dǎo)率數(shù)值為A，下一次讀取的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)為B，連續(xù)采集并判斷是否滿足|B-A|/A×100% ≤A×3%；采集傳感器的溫度數(shù)據(jù)，設(shè)前一次采集的數(shù)據(jù)為X，下一次采集的數(shù)據(jù)為Y，連續(xù)采集并判斷是否滿足|YX|≤0.1 ℃。當(dāng)2 種數(shù)據(jù)連續(xù)3 次均滿足條件時，判定滯水清洗完成，此時獲取的地下水為新鮮的地下水。

3.2 采樣器軟件設(shè)計

軟件通訊遵循MODBUS RTU 通訊協(xié)議，波特率為9 600 bps。STM32 通過USART3 接受上位機(jī)的傳輸?shù)牟蓸有畔?，并依?jù)協(xié)議進(jìn)行解析，獲取需要采集水層的以及采集頻率信息。進(jìn)而完成對該層變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)分層、低流量、低擾動采樣。軟件工作流程如圖7 所示。

圖7 軟件工作流程Fig.7 Software workflow

（1）采樣器收到上位機(jī)采集指令（包括采集頻率、采集層位）后開始工作。由采樣泵將水樣灌輸?shù)搅魍ǔ刂?，水位監(jiān)測探頭開始采集地下水水位信息；

（2）當(dāng)水位達(dá)到或高于30 cm 后，采樣器每隔一分鐘讀取1 次傳感器的電導(dǎo)率和溫度數(shù)據(jù)來檢測參數(shù)是否穩(wěn)定；

（3）當(dāng)溫度、電導(dǎo)率穩(wěn)定之后，采樣器將傳感器采集的溫度、電導(dǎo)率等信息反饋給上位機(jī)，同時將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲到外部存儲中；

（4）采樣器將變頻器電源關(guān)閉，采樣泵停止工作，并等待上位機(jī)下發(fā)排水指令。

（5）采樣器接收到排水命令后，流通池進(jìn)行 排水。

（6）系統(tǒng)進(jìn)入休眠，等待下一次采集信號。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)地下水分層采樣器的流量與采樣頻率和真值判定所需時間的關(guān)系，判斷水位檢測探頭數(shù)據(jù)采集情況，并依據(jù)水位監(jiān)測探頭的數(shù)據(jù)分析封隔器的封隔效果。在北京張家灣地區(qū)試驗(yàn)井進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖8 為采樣器主電路板實(shí)物。

圖8 采樣器主電路板Fig.8 Main circuit board of sampler

4.1 不同頻率和深度下采樣泵的流量

觀察水泵在不同深度下最小、最大流量以及對應(yīng)的采集頻率。依據(jù)試驗(yàn)井信息，主要將采樣泵分別放于10、25 和40 m 位置進(jìn)行取水。表3 為在不同頻率和深度下采樣泵的流量之間的關(guān)系。

表3 不同頻率和深度下采樣泵的流量Table 3 Flow rate of sampling pump at different frequencies and depths

由表3 可知，不同深度采集水樣所需的電機(jī)頻率相差不大，在9 Hz 左右流量最小。為找到最小不上水頻率，在9 Hz 附近進(jìn)行微調(diào)。采用低流量采樣，流量應(yīng)在0.1 ～1.0 L/min 左右。因此，采集水樣時電機(jī)頻率需控制在9 ～11 Hz，即可實(shí)現(xiàn)低流量低擾動采樣。

4.2 洗井流量與水質(zhì)穩(wěn)定時間之間的關(guān)系

在不同洗井流量下，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間不同。表4 為洗井流量和系統(tǒng)穩(wěn)定時間的關(guān)系。

表4 洗井流量與穩(wěn)定時間的關(guān)系Table 4 The relationship between the flow rate of well washing and the stabilization time

由表4 可知，洗井流量越大，所需穩(wěn)定的時間有減小的趨勢。所以在采樣過程中，可以適當(dāng)增加洗井流量以節(jié)約采樣時間，提高工作效率。

4.3 水位監(jiān)測探頭測試試驗(yàn)

為驗(yàn)證采樣器分層采樣效果、水位監(jiān)測探頭數(shù)據(jù)采集是否正常以及檢測封隔器封隔效果。設(shè)定變頻器的工作頻率為20 Hz，抽取第3 層水樣，用于驗(yàn)證封隔器的封隔效果和水位監(jiān)測探頭。在樣品提取過程中各層壓力傳感器壓力變化如圖9 ～11 所示。

圖9 抽取第1 層地下水各層水位埋深變化情況Fig. 9 Extraction of the depth change of each lager of groundwater in the first layer

圖10 抽取第2 層地下水各層水位埋深變化情況Fig. 10 Extraction of the depth change of each layer of groundwater in the second layer

圖11 抽取第3 層地下水各層水位埋深變化情況Fig. 11 Extraction of the depth change of each layer of groundwater in the third layer

圖9 所示，當(dāng)抽取第1 層地下水時，水位下降，第1 層水位變幅為0 ～0.740 m；第2 層水位變幅為0 ～0.010 m；第3 層水位變幅為0 ～0.003 m。圖10 所示，抽取第2 層地下水時，第1 層水位變幅為0 ～0.020 m；第2 層水位變幅為0 ～0.445 m；第3 層水位變幅為0 ～0.125 m。圖11 所示，抽取第3 層地下水時，第1 層水位變幅為0 ～0.008 m；第2 層水位變幅為0 ～0.039 m；第3 層水位變幅為0 ～0.623 m。試驗(yàn)表明：自膨脹橡膠封隔器封隔效果良好，試驗(yàn)井分層效果明顯，水位監(jiān)測探頭數(shù)據(jù)采集滿足國標(biāo)要求。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了以STM32 為控制核心的地下水分層智能采樣器。為排除井孔滯水的影響，采用了基于電導(dǎo)率和溫度穩(wěn)定性判斷的水樣真值判定，實(shí)現(xiàn)了地下水分層檢測自動化、智能化。

（2）在北京張家灣試驗(yàn)井內(nèi)進(jìn)行測試，以變頻器的頻率為控制變量，以螺桿泵流量和水樣穩(wěn)定時間以及水位監(jiān)測探頭數(shù)據(jù)采集情況為評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該采樣器能夠?qū)崿F(xiàn)不同流量的洗井和低流量采樣，能夠滿足地下水分層采樣的作業(yè)要求。采樣器在頻率8 ～10 Hz 時，能夠?qū)崿F(xiàn)低流量采樣，效果最佳。

（3）為提高采樣效率，可適當(dāng)提高洗井流量。采樣器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)全流程自動、快速檢測。水位檢測監(jiān)測探頭的數(shù)據(jù)采集滿足國標(biāo)要求，控制儀運(yùn)行穩(wěn)定。