飲用水砷/氟智能檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

王學(xué)福　李博　梁社鋒

摘 要：由于計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件可以達(dá)到硬件不能完成的功能。文章描述了一種純凈水砷和氟智能測試儀器的程序設(shè)計，內(nèi)容包括：人機(jī)用戶界面設(shè)計；數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程通訊部分設(shè)計；氟離子的測定程序設(shè)計；利用溶出伏安法的砷離子差分脈沖測定程序設(shè)計；應(yīng)用于溶出伏安法的差分脈沖檢測數(shù)據(jù)優(yōu)化的小波解析及其編程實現(xiàn)；計算砷離子濃度和砷離子溶出峰面積的分析。該系統(tǒng)操作簡單，能夠達(dá)到全自動地精確的檢測。

關(guān)鍵詞：檢測軟件；無線通訊；差分脈沖溶出伏安法；小波去噪分析；砷離子；溶出峰

引言

氟是人類所需的微量元素之一。長期喝含氟量較高的水，會導(dǎo)致氟中毒，產(chǎn)生氟斑牙癥、腎損害、甲狀腺損傷和氟骨病等疾病，而且氟還會對環(huán)境產(chǎn)生污染破壞。砷中毒會傷害人類的皮膚、繼發(fā)細(xì)胞癌化、畸形或突變。文章提出的飲用水砷/氟智能測試系統(tǒng)軟件可以迅速測定純凈水中氟離子濃度，并且使用溶出伏安法完成砷離子濃度差分脈沖測定分析，該方法可以有效地提高測試的靈敏度和準(zhǔn)確度，并使用了小波去噪技術(shù)，提高了系統(tǒng)檢測下限。

1 系統(tǒng)界面與數(shù)據(jù)傳送部分的程序設(shè)計

本工作的程序設(shè)計是基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件開發(fā)平臺，美國國家儀器公司（NI）的測量裝置都帶有NI-DAQ驅(qū)動軟件，能夠供LabVIEW直接使用，用于對測量設(shè)備編寫程序。飲用水砷/氟智能測試儀器的用戶人機(jī)交互界面如圖1所示。主界面安放了一個波形框。

可以描繪砷離子在測試時的波形參數(shù)；兩個關(guān)鍵句文本窗口，一個可以顯示系統(tǒng)上的通信部分和服務(wù)器的通信進(jìn)程，一個可以跟蹤系統(tǒng)的測試進(jìn)程，大多會用來顯示檢測的步驟；四個參數(shù)文本窗口，依次可以提供飲用水里氟離子濃度的數(shù)據(jù)值，提供水井里氟離子濃度的數(shù)據(jù)值，提供純凈水里砷離子濃度數(shù)據(jù)值，提供水樣里砷離子濃度數(shù)據(jù)值；八個提供標(biāo)準(zhǔn)添加法的參數(shù)提醒方框，四個能夠提供目標(biāo)液的砷離子濃度與標(biāo)液里的砷離子濃度，四個可以提供目標(biāo)液的砷離子溶出峰面積與添加試劑后的砷溶出峰面積；一個Express XY圖，可以顯示砷離子溶出峰面積相關(guān)系數(shù)、擬合點以及擬合曲線。

用來檢測的編程框圖設(shè)計基于順序結(jié)構(gòu)搭建。一共七個大模塊，包括：裝置的初始化，以及電磁閥的開/關(guān)初始化， 電源的初始化， 注射泵的通訊收發(fā)接口初始化， 蠕動泵的通訊收發(fā)接口初始化還有狀態(tài)初始化，檢測杯中水樣的初始化；純凈水里氟離子濃度的結(jié)果；井水里氟離子濃度的結(jié)果； 純凈水里砷離子濃度的測定；井水里砷離子濃度的測定；系統(tǒng)完成檢測并為后續(xù)檢測創(chuàng)造初始狀態(tài)；參數(shù)優(yōu)化與剖析，產(chǎn)生離子濃度數(shù)據(jù)；保存和文件傳送。

該飲用水砷/氟智能測定儀器擁有能遠(yuǎn)程開機(jī)還有參數(shù)回傳服務(wù)器功能，要求良好的服務(wù)器系統(tǒng)與參數(shù)通訊部分，參數(shù)通訊部分負(fù)責(zé)服務(wù)器發(fā)出的開機(jī)指令的接收還有把檢測的數(shù)值發(fā)送到服務(wù)器。參數(shù)通訊部分的里面分為GPRS/CDMA單元和IP單元兩部分，有二個運行狀態(tài)：命令SOCKET狀態(tài)；SerialNET透明通訊狀態(tài)。SerialNET透明通訊狀態(tài)使用配置IP地址與端口號后，便可和服務(wù)器建立長連接，如果連接斷開， 服務(wù)器和終端自動重連。參數(shù)通訊部分發(fā)來的數(shù)據(jù)全部是從數(shù)據(jù)傳送通道傳達(dá)到服務(wù)器，服務(wù)器指令也是參數(shù)通訊部分的數(shù)據(jù)傳送通道接收。圖2為利用DTU的檢測參數(shù)文檔傳送到服務(wù)器。

2 利用陽極溶出伏安法的砷離子差分脈沖測試程序設(shè)計

2.1 陽極溶出伏安法的差分脈沖檢測編程

溶出伏安法差分脈沖檢測在溶出檢測里的電壓掃描方式是差分脈沖而不是使用線性掃描，在直流線性緩變的掃描電平上疊加小幅值的方形脈沖。溶出伏安法的差分脈沖檢測具有較高的靈敏度和分辨力， 能降低檢測限，可提高100倍左右信噪比。

溶出伏安法的砷離子差分脈沖測定電壓設(shè)定為：先預(yù)加+0.5V清潔檢測電極，清潔用時是60秒；接著加-0.4V開始砷離子的電聚集，在聚集進(jìn)行時，砷離子測試攪拌電機(jī)工作，加大樣品里的砷離子的擴(kuò)散速度，保證大部分的砷離子聚集在檢測電極上，期望提高檢測的效率，減短中間耗時，沉積過程使用部分聚集法；在聚集結(jié)束后，停止砷離子測試攪拌電機(jī)，靜置20秒后，接著打開溶出伏安法差分脈沖掃描，依照設(shè)置的電壓變化量（6mV）還有電壓脈沖高度（40mV）進(jìn)行掃描，掃描的初始電壓是-0.4V，掃描的結(jié)束電壓是+0.5V，完成掃描過程的歷時設(shè)定為6秒，信號采集在聚集電壓遞增到結(jié)束電壓的過程中進(jìn)行，每次參數(shù)記錄的間隔為40毫秒。最終組成一個完全的檢測過程。

2.2 砷離子測定結(jié)果的小波去噪分析及其編程實現(xiàn)

差分脈沖伏安分析能夠衰減干擾電流，可以很好地增加靈敏度與準(zhǔn)確度。不過在檢測痕量離子濃度時，溶出峰的外形不規(guī)則，很難準(zhǔn)確指出峰電流。由于小波去噪分析能把有用信號從噪聲中分離出，提升檢測下限。本工作采用DOG小波函數(shù)解析砷離子在差分脈沖伏安曲線中的溶出峰。

在離散小波變換的設(shè)計中，涉及非常普遍的是Malalt等發(fā)表的多分辨率信號分解算法，LabVIEW無法實現(xiàn)很多結(jié)果分析處理的繁瑣開發(fā)，而MATLAB擁有較好的海量分析功能，本工作便采用LabVIEW和MATLAB協(xié)同編程方法。LabVIEW中提供如ActiveX、DDE等標(biāo)準(zhǔn)插口方法，能夠和多種與其它應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)互相調(diào)用。LabVIEW使用ActiveX技術(shù)來完成MATLAB腳本節(jié)點。NI公司LabVIEW開發(fā)組建議利用的方法是MATLAB Script節(jié)點方法。程序的濾波和平滑對信號的去噪、處理和數(shù)據(jù)的恢復(fù)具有突出作用。

對砷測定部分實行單獨標(biāo)定，標(biāo)定條件：聚集電位-0.5V，聚集耗時90秒、，初始電壓-0.4V，結(jié)束電壓+0.5V，電壓變化量6mV。采用標(biāo)準(zhǔn)添加法，總共添加20毫升50ppb砷測試標(biāo)準(zhǔn)液三次。圖5是實際溶液檢測原始結(jié)果和經(jīng)過DOG小波去噪之后的檢測參數(shù)。

2.3 砷離子濃度以及砷離子溶出峰面積的計算方法

電化學(xué)利用測量電流峰高以及面積同時和同一環(huán)境下的基準(zhǔn)溶液相比較得到離子濃度，初始濃度為零時電流峰高是零。于是電化學(xué)對水樣開始檢測前，先將標(biāo)準(zhǔn)溶液實施標(biāo)定，算出目前液樣濃度與電流峰高和面積兩者的對應(yīng)關(guān)系。電化學(xué)系統(tǒng)在掃描獲得電化學(xué)信號后，峰的形狀不規(guī)則，峰形和掃描前的聚集耗時、掃描檢測中的掃描電壓、掃描速率、待測樣和掃描電壓步長有關(guān)。

該智能測試儀器闡明一種利用電化學(xué)信號分析的峰面積測量方法，能夠讓金屬離子濃度的檢測快速準(zhǔn)確。為實現(xiàn)期望數(shù)據(jù)結(jié)果，尋峰的步驟：（1）調(diào)用以往結(jié)果，捕獲特征峰所處的位置。（2）甄別特征峰值，并記載下對應(yīng)的數(shù)組索引。（3）在峰值處左右移動固定的索引值，設(shè)置判斷閾值（斜率減小到某一值），依照判斷條件尋找較優(yōu)的可以計算峰面積的索引區(qū)間。（4）依照得到的索引區(qū)間，積分并減去底部三角的面積，然后產(chǎn)生峰面積。計算砷離子溶出峰面積的程序流程見圖6。依照上述工作，能夠獲得該設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)添加法進(jìn)行砷離子濃度的檢測。采用標(biāo)準(zhǔn)添加法去除基體效應(yīng)的干擾。圖7為檢測樣品里砷離子濃度的程序設(shè)計。

3 結(jié)束語

利用LabVIEW程序開發(fā)編寫的飲用水砷/氟自動測試儀器的用戶界面友好、控制比較簡單、可以設(shè)定重要的檢測參量還有實時顯示儀器的工作進(jìn)程。本自動測試儀器擁有能遠(yuǎn)程開機(jī)包括數(shù)據(jù)回傳功能，安全的服務(wù)器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊部分負(fù)責(zé)服務(wù)器發(fā)送的開機(jī)指令的接收以及把檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送到服務(wù)器。處理采集到的信號，利用基于小波分析的信號去噪解析和用于電化學(xué)信號分析的峰面積計算方法，可以快速準(zhǔn)確的計算砷離子濃度。

參考文獻(xiàn)

[1]高晉占.微弱信號檢測（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]江建軍，孫彪.LabVIEW程序設(shè)計教程（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]習(xí)海旭.飲用水中微量有害離子自動檢測系統(tǒng)[J].自動化儀表，2014，35（8）：91-94.