基于原位檢測技術(shù)的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

陸萍藍(lán) 邵力行 張火明 田中仁

摘 ? 要：針對我國的水環(huán)境問題，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、非原位和成本高等問題，基于原位檢測技術(shù)，設(shè)計了一種無線原位水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該檢測方法為無損檢測，在水質(zhì)取樣后原位檢測，使水質(zhì)檢測更加接近真實。該儀器體積小，可單人操作，水質(zhì)參數(shù)通過無線設(shè)備直接聯(lián)網(wǎng)，便于構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該儀器采用S7-200PLC作為控制器，通過無線數(shù)據(jù)終端通信及PLC接收器實現(xiàn)PLC和觸摸屏的遠(yuǎn)程連接。通過軟硬件調(diào)試，能夠遠(yuǎn)程實時操控并顯示設(shè)備及測試狀態(tài)，實現(xiàn)了無線原位水質(zhì)監(jiān)測的初衷。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;原位檢測;無損檢測;無線數(shù)據(jù);水質(zhì)監(jiān)測儀;PLC

中圖分類號：X853 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Wireless Water Quality Monitoring System Based

on In Situ Detection Technology

LU Ping-lan1，2，SHAO Li-xing2？覮，ZHANG Huo-ming2，TIAN Zhong-ren2

（1. Engineering Training Center，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;

2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Flow Measurement Technology，

China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;）

Abstract：In view of the water environment problems in China，the difficulty of wiring，water quality monitoring system，ex situ and high cost，this paper designs a wireless in-situ water quality monitoring system based on in-situ detection technology. The detection method is non-destructive testing，and the in-situ detection after water sampling makes the water quality detection more realistic. The instrument is small in size and can be operated by a single person. The water quality parameters are directly connected to the wireless device to facilitate the construction of a water quality monitoring network. The instrument uses S7-200PLC as the controller to realize remote connection between PLC and touch screen through wireless data terminal communication and PLC receiver. Through software and hardware debugging，it is possible to remotely control and display the device and test status in real time，realizing the original intention of wireless in-situ water quality monitoring.

Key words：water quality monitoring;in situ detection;nondestructive testing;wireless data;water quality monitor;PLC

人類在生活和生產(chǎn)活動中都離不開水，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，水污染問題也成為普通大眾非常關(guān)注的熱點問題。近些年來媒體報道的關(guān)于企業(yè)違規(guī)排放污水造成水質(zhì)環(huán)境惡化的新聞越來越多。研究證實，由飲用水水質(zhì)不衛(wèi)生引起的疾病已成為人類健康主要負(fù)擔(dān)之一[1]。目前國內(nèi)水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測手段與國外先進(jìn)水平相對落后，自動化水平較低，智能化水平也不高[2]。傳統(tǒng)的檢測方法采用現(xiàn)場采集樣本，送至實驗室檢測的方法。存在較多缺點，水樣在抽取或運輸?shù)耐局锌赡軙欢挝廴?，水質(zhì)檢測需要檢測多點的水質(zhì)，測量人員的工作量大成本高。

水質(zhì)監(jiān)測發(fā)展方向是現(xiàn)場化和智能化。原位檢測技術(shù)可在采樣現(xiàn)場對某些待檢水參數(shù)或樣品進(jìn)行檢查和測試，是一種無損檢測方法。越來越多的科研機(jī)構(gòu)通過無線通信和原位檢測技術(shù)相結(jié)合的方式用于監(jiān)測工作中[3]。李文龍等[4]使用原位檢測技術(shù)，完成了閉式葉輪五軸原位檢測路徑規(guī)劃與實驗驗證。李克偉等提出一種基于瞬發(fā)伽馬射線中子活化分析技術(shù)的填埋場有害元素成分的原位在線檢測方法[5]。

為使水質(zhì)監(jiān)測滿足智能化要求，現(xiàn)代化的計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工監(jiān)測方式是當(dāng)前重點研究領(lǐng)域。趙軍等基于ZigBee技術(shù)研發(fā)一個用于水質(zhì)檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。李宮等[7]提出了基于Android設(shè)備的便攜式水質(zhì)檢測儀器。這些方法為水質(zhì)檢測智能化提供一定的參考價值。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本文提供了一種供室外使用的水質(zhì)檢測系統(tǒng)及監(jiān)測儀器，解決現(xiàn)有水質(zhì)檢測系統(tǒng)與儀器存在的弊端，使水質(zhì)檢測日?；?、現(xiàn)場化和智能化。相較于趙軍、李宮等人提出的以單片機(jī)控制處理為核心，搭載時鐘模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，藍(lán)牙通信模塊，極小存儲卡模塊的水質(zhì)檢測儀，所提出的基于原位檢測技術(shù)的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，是以西門子公司的可編程控制器 S7-200作為控制器，通過智能控制器GPRS模塊實現(xiàn)PLC和觸摸屏的遠(yuǎn)程通信和對水質(zhì)的實時監(jiān)測，系統(tǒng)組成合理，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，設(shè)備運行穩(wěn)定。

1 ? 原位水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照需要將水質(zhì)監(jiān)測儀布置在待測水域，到達(dá)指定點時，采集水質(zhì)pH值、溫度等數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按通信協(xié)議封裝后發(fā)送至岸上操作節(jié)點;岸上操作人員經(jīng)查看，確定是否需要水質(zhì)監(jiān)測儀存樣，將整個儀器采集的數(shù)據(jù)通過串口實時傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心計算機(jī)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)誤差修正處理后顯示。

2 ? 原位無線監(jiān)測儀器設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ? 儀器設(shè)計

便攜式原位無線水質(zhì)監(jiān)測儀如圖2 所示。

包括外殼、儀器板、智能工業(yè)控制器、PLC、水泵、電動馬達(dá)、伸縮桿、傳感器和盛水容器等部分組成。儀器伸縮桿安裝于儀器下方小外殼蓋中間，而傳感器架安裝于伸縮桿的下端，所使用的傳感器安裝于所述的傳感器架上，在儀器外殼腔的預(yù)留的孔和馬達(dá)軸套之間打上玻璃膠防水?？刂破骺刂苾蓚€馬達(dá)同時開啟則前進(jìn)，左馬達(dá)開啟則向右轉(zhuǎn)，右馬達(dá)開啟則向左轉(zhuǎn)。儀器板包括沿圓形分布的24v鋰電池，繼電器，智能工業(yè)控制器，電動機(jī)，PLC。水質(zhì)監(jiān)測儀器板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中板上器件按重量大小平均分布在圓形儀器板上，這有助于水質(zhì)監(jiān)測儀在水中保持平衡，方便拆裝，再將儀器板安裝在外殼腔體內(nèi)。水質(zhì)監(jiān)測儀外殼如圖4所示。

包括外殼腔、小外殼蓋、大外殼蓋。大外殼蓋有兩個用于放取樣溶液的取樣槽和一個用于放清水的清洗槽，把水和儀器分開，有助于整個水質(zhì)監(jiān)測儀的防水。

當(dāng)?shù)竭_(dá)指定監(jiān)測水域時，控制帶有傳感器的伸縮桿伸入指定深度，傳感器進(jìn)行監(jiān)測，讀取的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳到岸上操作平臺實時顯示。如果需要多次測量，可以用清洗泵對傳感器探頭進(jìn)行清洗，然后再次進(jìn)行檢測。在檢測過程中如需要留存樣本，可以用抽水泵對河水進(jìn)行取樣，儲存在腔體樣槽內(nèi)帶回。

2.2 ? 儀器主要硬件設(shè)計

本系統(tǒng)電路圖的設(shè)計如圖5所示，采用S7-200PLC，通過其自身的RS485和其他模塊進(jìn)行通訊，同時接收傳感器傳過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行識別判斷。通過發(fā)送指令驅(qū)動S7-200，使儀器移動到指定位置，通過S6200智能工業(yè)控制器讀取傳感器數(shù)據(jù);當(dāng)需要取樣時則控制PLC進(jìn)行取樣。同時智能工業(yè)控制器可以通過RS485口將傳感器數(shù)據(jù)存儲在PLC中，也可以通過無線PLC接收器實現(xiàn)PLC和岸上操作臺連接，操作臺與檢測中心的遠(yuǎn)程連接，對PLC進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的取樣。

而本項目用到的另外一個模塊是S6200 PLC 無線通訊模塊，內(nèi)置網(wǎng)頁發(fā)布，抗干擾能力強(qiáng)，一個模塊即可實現(xiàn)PLC的電腦遠(yuǎn)程控制，手機(jī)電腦網(wǎng)頁瀏覽，通過RS485口讀取傳感器數(shù)據(jù)并存儲在PLC中等功能。同時S6200自帶數(shù)字輸入/輸出，可以作為PLC的模擬量擴(kuò)展模塊來接收傳感器傳過來的模擬量。

3 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計調(diào)試實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性、正確性，本項目還使用了一個模塊是觸摸屏，它使用無線PLC接收器作為通訊手段模塊，通過觸摸屏編程軟件進(jìn)行界面設(shè)計，可以讀取PLC寄存器存儲的傳感器數(shù)據(jù)，并且可以遠(yuǎn)程控制PLC。利用PLC為平臺，建立水質(zhì)檢測儀控制系統(tǒng)與調(diào)試系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，其中調(diào)試系統(tǒng)采用Visual Studio軟件平臺，依據(jù)調(diào)試功能模塊化的設(shè)計思路，進(jìn)行程序開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置如圖6所示。

在遠(yuǎn)程可以對儀器設(shè)備的行進(jìn)轉(zhuǎn)?？刂?，到達(dá)指定水域后，可對儀器采集裝置伸縮桿控制，鍵入其伸出量及檢測時間，在完成檢測后或控制取樣瓶取樣后，可控制伸縮桿收回。另外，在需要多次重復(fù)檢測時，可以選擇清裝置后檢測。實時檢測的數(shù)據(jù)如圖7所示，目前初步設(shè)計僅對溶解氧、溫度、濁度、pH值等進(jìn)行檢測，在檢測過程中如有新的要求，可增加或替換檢測采集端完成檢測任務(wù)。

在完成測量時，不僅可以顯示這些數(shù)據(jù)參數(shù)，測得數(shù)據(jù)的位置將一同給出。根據(jù)控制要求，共需要PLC輸入點數(shù)為18點如圖8所示。

5 ? 結(jié) ? 論

本系統(tǒng)的設(shè)計主要是為遠(yuǎn)程監(jiān)控水質(zhì)監(jiān)控所設(shè)計的，可將水質(zhì)現(xiàn)場信號參數(shù)通過無線通信的方式傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實現(xiàn)了水質(zhì)參數(shù)的原位檢測。從系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)出發(fā)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)方案。隨后，對系統(tǒng)原位檢測重要組成設(shè)備水質(zhì)監(jiān)測儀的實現(xiàn)機(jī)理，進(jìn)行了專門的設(shè)計敘述，按照功能模塊的劃分設(shè)計了動力部分、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的模塊。描述了儀器監(jiān)測運行顯示及取樣過程，設(shè)計了儀器軟件系統(tǒng)，對其控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)進(jìn)行了專門的設(shè)計。目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，可以穩(wěn)定、可靠地運行，能夠?qū)δ繕?biāo)水域水質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)測及取樣。有效地提高了水質(zhì)監(jiān)測的自動化、智能化、現(xiàn)場化的水平和效率，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計方案的目標(biāo)，具有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?何英華，張惠雯. 吉林省飲用水水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)體系的建立[J].中國地方病防治雜志，2018，33（02）：154—155.

[2] ? ?王詩源，袁琦. 基于LabVIEW的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2018，45（01）：63—68.

[3] ? ?紀(jì)超，王昆. 飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)無線原位檢測技術(shù)研究[J]. 計算技術(shù)與自動化，2015（3）：131—135.

[4] ? ?李文龍，王剛，尹周平. 閉式葉輪五軸原位檢測路徑規(guī)劃與實驗驗證[J]. 航空學(xué)報，2018，39（03）：244—252.

[5] ? ?李克偉，凌永生，張皓嘉，等. 填埋場中有害元素成分原位檢測方法[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2018，30（02）：135—141.

[6] ? ?趙軍，林瀚剛，西熱娜依·白克力. 基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研制及復(fù)雜環(huán)境下在線測試[J].中國測試，2018，44（05）：67—70.

[7] ? ?李宮，郭慧，趙輝，等. 基于Android的便攜式水質(zhì)檢測儀器的研制[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（07）：3973—3976.