水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的硬軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高 超，胡 孟，吳國(guó)榮，宋衛(wèi)坤

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

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水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的硬軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高 超1，胡 孟2，吳國(guó)榮1，宋衛(wèi)坤2

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

[目的]研制水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)多指標(biāo)快速檢測(cè)。[方法]對(duì)設(shè)備的硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包含了MP2303芯片、鋰電，Cortex-M3型ARM微控制器、樹(shù)莓派顯示系統(tǒng)、光頻轉(zhuǎn)換器等的設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)則包含了軟件設(shè)置、項(xiàng)目選項(xiàng)、項(xiàng)目測(cè)量結(jié)果以及測(cè)量數(shù)據(jù)表格輸出等模塊的設(shè)計(jì)；并對(duì)水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)。[結(jié)果]通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)的設(shè)備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發(fā)出了水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備。用該設(shè)備與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備同時(shí)測(cè)定某一河道水樣的5項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3個(gè)樣點(diǎn)水樣中鐵、氨態(tài)氮、氟化物、硝酸鹽和6價(jià)鉻含量的兩組數(shù)據(jù)值接近，無(wú)明顯差異。雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)下限比快測(cè)法高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但快速設(shè)備的測(cè)定結(jié)果不影響操作員對(duì)水質(zhì)的判斷，說(shuō)明該水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備精密度高；兩種測(cè)定方法的穩(wěn)定性比較，結(jié)果快速測(cè)定法的5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差略高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法(3.92%)，但其測(cè)定結(jié)果能夠較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定要求，說(shuō)明該水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性良好。[結(jié)論]該水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性較高，可滿足水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)要求。

水質(zhì)快速檢測(cè)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

我國(guó)自然災(zāi)害及突發(fā)事件頻發(fā)，容易對(duì)水環(huán)境造成破壞和污染。如地震容易造成污水管道破裂和污水外溢，或引發(fā)危險(xiǎn)品的泄漏，造成水污染。另外，水體的流動(dòng)性更是會(huì)擴(kuò)大污染影響[1-2]。針對(duì)水環(huán)境污染，在第一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，了解水質(zhì)狀況，對(duì)確保飲水安全，指導(dǎo)抗災(zāi)救災(zāi)具有重要意義。

水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。余立婷等介紹了水質(zhì)快速檢測(cè)中的比色器法、光度計(jì)法以及國(guó)外的哈希法，指出國(guó)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度較低，國(guó)外哈希法的檢測(cè)結(jié)果精度較高，穩(wěn)定性較好[3]。蘇慧等介紹了水質(zhì)快速檢測(cè)盒與國(guó)標(biāo)法在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用，在精密度和準(zhǔn)確度方面，水質(zhì)快速檢測(cè)盒的檢測(cè)結(jié)果與國(guó)標(biāo)法相比還有差距[4]。廖和琴等介紹了基于液滴分析技術(shù)的水質(zhì)檢測(cè)儀器，其檢測(cè)指標(biāo)較少，沒(méi)有清洗裝置，容易交叉干擾，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。劉園園介紹了智能化便攜式水質(zhì)檢測(cè)儀，檢測(cè)儀的檢測(cè)項(xiàng)目較少，必須連接工作電壓才能使用，不能滿足野外應(yīng)急檢測(cè)的要求[6]。張磊等介紹了基于電極法的水質(zhì)檢測(cè)儀，檢測(cè)儀的電極容易受損，影響檢測(cè)結(jié)果[7]。Yue LIAO等介紹了支持向量機(jī)(Support Vector Machine)法，通過(guò)記錄水中生物的行為數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)水質(zhì)，結(jié)果表明檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)精度低，可行性差[8]。

通過(guò)上述分析可以知道，雖然水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備種類繁多，但卻存在這樣或那樣的局限性，國(guó)外的產(chǎn)品如美國(guó)的哈希等檢測(cè)精度高，檢測(cè)速度快，且可以完成十幾甚至幾十項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，但設(shè)備及專用試劑昂貴，檢測(cè)成本很高。因此從減少對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，降低檢測(cè)成本的角度考慮，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備，具有重要的技術(shù)意義和市場(chǎng)價(jià)值。

1 水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備構(gòu)成

設(shè)備的構(gòu)成主要包含4個(gè)方面：(1)電源系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電源充電及電池(鋰電)單獨(dú)供電；(2)控制系統(tǒng)，采用STM32的ARM內(nèi)核控制器，接受測(cè)試命令，控制LED燈波長(zhǎng)，測(cè)量傳感器輸出頻率，并將頻率的數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)；(3)顯示系統(tǒng)，采用觸控方式，可發(fā)出控制命令，并顯示數(shù)據(jù)；(4)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源及光-頻率轉(zhuǎn)換器等。

1.2 控制策略

由觸摸屏發(fā)送測(cè)量控制命令，處理器接收命令，控制并發(fā)射相應(yīng)波長(zhǎng)的光束，光束經(jīng)樣品池，由光-頻率轉(zhuǎn)換器接收。測(cè)試穩(wěn)定后，光頻轉(zhuǎn)換器輸出頻率，經(jīng)觸發(fā)器將頻率分頻，并對(duì)波形整形，輸入處理器。處理器通過(guò)定時(shí)器及外部中斷的方式，測(cè)出頻率值。該測(cè)試分為兩步，首先對(duì)樣品進(jìn)行空白測(cè)量，再對(duì)加有試劑的水樣進(jìn)行測(cè)試。2次測(cè)量的差值結(jié)合吸光度曲線，計(jì)算濃度值，并將濃度值通過(guò)串口發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行顯示。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

(1)電源。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

外部12 V電源適配器，用于給設(shè)備供電及鋰電池充電。鋰電池輸出電壓為12 V，經(jīng)DC-DC芯片MP2303后輸出5 V電壓，分為兩路：一路分接到低壓穩(wěn)壓器AM1117-3.3，輸出3.3 V，用于控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)的供電；另一路分接于顯示系統(tǒng)。

(2)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用基于Cortex-M3的STM32F103系列的芯片，該系列芯片是由意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM微控制器，其時(shí)鐘最高可達(dá)72 MHz，高于目前常用的NXP(恩智浦半導(dǎo)體)的LPC2136芯片(時(shí)鐘最高為60 MHz)，有效地增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的工作效率?？刂葡到y(tǒng)接收觸摸控制命令，控制光源發(fā)射相應(yīng)波長(zhǎng)，測(cè)量傳感器輸出頻率，并將頻率數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)外設(shè)功能豐富，能夠滿足更多的使用需求；同時(shí)該系統(tǒng)擁有更多的低功耗模式，增強(qiáng)了設(shè)備的續(xù)航能力。系統(tǒng)除了包含MCU處理器外，還配有UART接口的驅(qū)動(dòng)電路和PL2303的USB轉(zhuǎn)串驅(qū)動(dòng)器，使控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更加方便。

(3)顯示系統(tǒng)。設(shè)備采用樹(shù)莓派觸摸顯示系統(tǒng)，是基于Linux操作系統(tǒng)的MINI PC，并在MINI PC里安裝了顯示軟件。MINI PC通過(guò)相應(yīng)軟件驅(qū)動(dòng)樹(shù)莓派串口，使樹(shù)莓派的串口發(fā)送控制數(shù)據(jù)到STM32控制器中，從而接收STM32控制器中測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將其在界面上顯示。樹(shù)莓派觸摸顯示系統(tǒng)具有性能好、功能齊全、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以運(yùn)行完整的操作系統(tǒng)，自帶較全面的接口，圖形性能強(qiáng)。樹(shù)莓派觸摸顯示系統(tǒng)體積較小，與其他系統(tǒng)的連接方便，減小了整個(gè)設(shè)備的體積,便于攜帶。樹(shù)莓派觸摸顯示系統(tǒng)的顯示效果如圖2所示。

(4)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)主要包括LED陣列和光頻率轉(zhuǎn)換器兩個(gè)部分。LED陣列發(fā)射特定波長(zhǎng)的光，并使光經(jīng)過(guò)樣品池照射在光-頻率轉(zhuǎn)換器TSL238D上。其具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的工作壽命。目前的LED陣列主要包含了λ=520 nm與λ=640 nm波長(zhǎng)的LED燈。LED陣列實(shí)物如圖3所示。

光-頻率轉(zhuǎn)換器用來(lái)測(cè)量LED陣列的光強(qiáng)度，其接收光后會(huì)輸出頻率，光的強(qiáng)度與頻率的高低成正比。測(cè)量系統(tǒng)采用D觸發(fā)器(data flip-flop)將光-頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率進(jìn)行分頻，同時(shí)對(duì)波形進(jìn)行調(diào)制，然后輸入到處理器中。處理器通過(guò)定時(shí)器及外部中斷的方式，測(cè)出頻率值。該設(shè)計(jì)采用了兩路單板設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，光-頻率轉(zhuǎn)換器原理如圖4所示。

在光-頻率轉(zhuǎn)換器PCB(印制電路板)設(shè)計(jì)中，必須先按照電路的流程安排各個(gè)電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，同時(shí)盡量減少和縮短各元件之間的引線和連接，并盡可能使元件并行連接，從而便于裝焊，PCB設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

在光-頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)測(cè)量圖5中TP1點(diǎn)下方的燈打開(kāi)與關(guān)閉2種狀態(tài)下的頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。試驗(yàn)測(cè)得燈打開(kāi)時(shí)頻率為1.95 KHz，燈關(guān)閉時(shí)頻率為55.27 Hz，說(shuō)明該設(shè)計(jì)可行，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6、7所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)即對(duì)觸摸顯示屏中運(yùn)行的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能模塊由軟件設(shè)置、項(xiàng)目選項(xiàng)、項(xiàng)目測(cè)量結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)表格輸出模塊組成。其中軟件設(shè)置主要是根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備的功能進(jìn)行軟件程序的開(kāi)發(fā)；項(xiàng)目選項(xiàng)指對(duì)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的指標(biāo)選項(xiàng)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)的實(shí)際情況，合理選擇需要檢測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)；項(xiàng)目測(cè)量結(jié)果即選測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，在一定程度上反映了水質(zhì)的狀況；設(shè)備將會(huì)根據(jù)測(cè)得的多組水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，以數(shù)據(jù)表格的形式在設(shè)備的顯示屏上顯示，從整體上評(píng)估水質(zhì)的基本狀況。在模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件的操作流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使軟件易于操作，運(yùn)行效率高，操作流程如圖8所示。

(1)軟件設(shè)置。軟件設(shè)置以水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備的功能為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括串口號(hào)、波特率、停止位和校驗(yàn)位的設(shè)置。通過(guò)對(duì)軟件的整體設(shè)計(jì)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸速率和質(zhì)量，提高設(shè)備的整體運(yùn)行效率。軟件的串口設(shè)置界面如圖9所示。

軟件的部分代碼如下：

void Settingdialog::fillPortsParameters()

{

QStringList comList;//串口號(hào)

QStringList baudList;//波特率

QStringList parityList;//校驗(yàn)位

QStringList dataBitsList;//數(shù)據(jù)位

QStringList stopBitsList;//停止位

QStringList flowControl;

#ifdef Q_OS_WIN//如果是windows系統(tǒng)

currentSettings.protname = "COM1";

#else//如果是unix或者其他系統(tǒng)

currentSettings.protname = "ttyUSB0";

#endif

(2)軟件測(cè)量參數(shù)設(shè)計(jì)。軟件測(cè)量參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括檢測(cè)項(xiàng)目、取樣體積、總體積、待測(cè)液體積和定容體積的設(shè)計(jì)。對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目的各個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置并進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只需在軟件界面輸入檢測(cè)項(xiàng)目需要的各個(gè)參數(shù)，便可方便地得到需要的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)測(cè)量的流程分為3步，先對(duì)水樣進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)的空白測(cè)試；然后對(duì)水樣添加相應(yīng)的試劑顯色后，進(jìn)行樣品測(cè)試；最后將兩次測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出濃度值，并將濃度值通過(guò)串口發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行顯示。軟件測(cè)量界面如圖10所示。

軟件測(cè)量參數(shù)設(shè)計(jì)的部分代碼如下：

void Serial_Data::ConfigSetting()

{

QPalette pal;

pal.setColor(QPalette::WindowText， Qt::red);

ui->label->setPalette(pal);

ui->label_1->setPalette(pal);

ui->label_2->setPalette(pal);

QStringList List;

// List.append(tr(""));

List.append(tr("氨氮"));

List.append(tr("氟化物"));

……

model->setHeaderData(0，Qt::Horizontal，tr("編號(hào)"));

model->setHeaderData(1，Qt::Horizontal，tr("檢查項(xiàng)目"));

……

model->setHeaderData(4，Qt::Horizontal，tr("檢查日期"));

model->setHeaderData(5，Qt::Horizontal，tr("時(shí)間"));

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)所設(shè)計(jì)的設(shè)備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發(fā)出了水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備。為驗(yàn)證水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，分別采用水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法，對(duì)某河道3個(gè)樣點(diǎn)的水中的鐵、氨態(tài)氮、氟化物、硝酸鹽氮和6價(jià)鉻指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)2種方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(表1)。

從表1可以看出，2種方法的測(cè)試結(jié)果直觀分析數(shù)據(jù)接近，說(shuō)明水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度較高。檢測(cè)設(shè)備對(duì)水樣的測(cè)定下限也在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)的限量指標(biāo)范圍內(nèi)。

表1 水質(zhì)快速檢測(cè)法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)結(jié)果的比較 mg/L

注：測(cè)定的濃度為3次測(cè)定的平均值。

由表2可知，2種方法測(cè)得的水中鐵、氨氮、氟化物、硝酸鹽氮、6價(jià)鉻含量的平均值相差并不明顯，快速檢測(cè)法的相對(duì)偏差雖然較大些，但不影響測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

表2 水樣快速檢測(cè)法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法的穩(wěn)定性比較

注：平均值為取樣3點(diǎn)所得數(shù)據(jù)平均值，平均偏差為取樣3點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)減去平均值后的絕對(duì)值再取平均值；相對(duì)偏差為平均偏差除以平均值。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)的檢測(cè)，并對(duì)2種方法測(cè)得的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的分析比較，結(jié)果表明該檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性較好，其測(cè)定結(jié)果能夠較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)快速檢測(cè)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)精度較低、國(guó)外檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴的現(xiàn)狀，對(duì)水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研發(fā)了便捷式水質(zhì)快速檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備硬件及軟件設(shè)計(jì)合理，便攜性強(qiáng)，檢測(cè)指標(biāo)多樣，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)速度較快，可靠性好，滿足了水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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Hardware and Software Design for Water Rapid Testing Equipment and Experiment

GAO Chao1, HU Meng2, WU Guo-rong1et al

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038)

[Objective] Water rapid testing equipment can be used to detect water quality indexes within a very short time. [Method] Equipment design including hardware and software design was described. The former consists of MP2303 chip, lithium battery, Cortex-M3 ARM micro-controller, Raspberry pie display system and light-to-frequency converter etc.. The latter consists of software setting, project option and testing data outputting etc.. Then the reliability of the rapid testing equipment was tested. [Result] Through appropriate connection of hardware and software, water quality rapid testing equipment was developed. The iron, ammonia nitrogen, fluoride, nitrate and 6 valence chromium content in three samples were compared, it was found that two groups of data have no obvious differences. Detection limit of national standard method is about one order of magnitude higher than fast measurement, but rapid equipment determination results does not affect the judgments of the operator on the water quality, which indicates the water quality quick detection device has high precision; The relative deviation of the 5 indexes of rapid determination method is slightly higher than the national standard method(3.929%), but the result can satisfy the requirement of the field test, which shows that the water quality quick detection device has good stability. [Conclusion] The equipment presents high testing accuracy and good stability, which meet the requirements of on-site water quality rapid testing.

Water rapid testing; Hardware design; Software design

十二·五科技支撐課題(2012BAJ25B04)：村鎮(zhèn)應(yīng)急水處理關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)。

高超(1979-)，男，山東淄博人，博士，講師，從事檢測(cè)技術(shù)及裝備研究。

2015-11-11

S 220.2；X 853

A

0517-6611(2015)35-370-04