基于無線網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)原位水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘 濤，金 寧，顧唯兵，崔 錚

(1.中國計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州 215123)

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水質(zhì)污染及水體富營養(yǎng)化問題越來越突出，嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人們的用水安全[1]。藍(lán)藻水華是由于水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類大量繁殖，它使水體中的光照、溶解氧降低，并導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，水生生物大量死亡。并且其產(chǎn)生的異味和藻毒素對水生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成嚴(yán)重危害[2]。如何有效預(yù)防和控制水質(zhì)惡化已經(jīng)成為原水水質(zhì)管理關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，水質(zhì)檢測主要基于以下幾種方法：

(1)實(shí)驗(yàn)室分析方法，通過現(xiàn)場取樣到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析；但這種方法不僅時(shí)效性較差，而且容易受分析人員的操作影響，較難保證測試的準(zhǔn)確性。

(2)遙感技術(shù)，通過水體光譜等特征，實(shí)現(xiàn)大面積水域的水質(zhì)定性分析，但仍需要原位水質(zhì)參數(shù)及相應(yīng)的反演算法來實(shí)現(xiàn)對水環(huán)境問題的預(yù)警。

(3)原位在線監(jiān)測方式，通過在采樣區(qū)域?qū)λw進(jìn)行直接的原位連續(xù)、快速檢測，實(shí)現(xiàn)24/7的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該技術(shù)是目前預(yù)防和治理水環(huán)境問題的迫切需求和有力手段。

隨著傳感器及微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，人們已開始研制一些在線式水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備。如基于嵌入式ARM控制器的水質(zhì)檢測儀[3-4]，基于PLC的水質(zhì)檢測設(shè)備[5]，基于藍(lán)牙及手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)[6]等。但是，對于在線式水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備而言，需要具備多參數(shù)、低成本、實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、適合野外分布的特點(diǎn)。近幾年，國內(nèi)相關(guān)科研單位開始發(fā)展以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，如浙江大學(xué)研制的基于分光光度法的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，采用了工控機(jī)和單片機(jī)的結(jié)構(gòu)[7]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和無線通訊模塊的低成本多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀集成藍(lán)藻熒光傳感器、水溫傳感器及水體濁度傳感器等，對藍(lán)藻檢測的濃度線性相關(guān)度達(dá)到了0.99。同時(shí)，系統(tǒng)采用了低功耗設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的原位水質(zhì)監(jiān)測，并可將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲存在數(shù)據(jù)庫中。該系統(tǒng)采用了單片機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，有效降低了系統(tǒng)的成本，并提高了系統(tǒng)的功能擴(kuò)展性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由多參數(shù)原位水質(zhì)監(jiān)測儀和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀被放置在需要被監(jiān)測的取水點(diǎn)或者湖面上，定時(shí)或通過監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制進(jìn)行原位水質(zhì)的傳感監(jiān)測，隨后將水質(zhì)數(shù)據(jù)通過GPRS模塊實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)基于LabVIEW語言編寫開發(fā)，通過TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程接收，同時(shí)具有數(shù)據(jù)的分析處理、顯示和存儲等功能。能根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)情況，對水體中藍(lán)藻含量等進(jìn)行預(yù)警等。系統(tǒng)原理和框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理和框架結(jié)構(gòu)圖

1.2 藍(lán)藻熒光傳感原理

在水體中，浮游植物一般都含有葉綠素a，因此利用葉綠素的熒光效應(yīng)可以檢測出水體中的植物生物量，但一般很難特異性地檢測出藍(lán)藻的含量。在內(nèi)陸湖泊水華中，藍(lán)藻是優(yōu)勢生長藻類，也是水華爆發(fā)的主導(dǎo)物種；同時(shí)藍(lán)藻中藻藍(lán)蛋白具有特征的645 nm熒光譜。因此，利用葉綠素a和藻藍(lán)蛋白的特征光譜可準(zhǔn)確地檢測出水體中的藍(lán)藻濃度含量。圖2為藍(lán)藻熒光傳感器的工作原理，其中控制電路控制激發(fā)LED燈的驅(qū)動電路使其點(diǎn)亮，激發(fā)LED燈具有460、590 nm兩個(gè)激發(fā)波長，分別用于激發(fā)藍(lán)藻中葉綠素a和藻藍(lán)蛋白的特征光譜。光電探測器用來檢測藍(lán)藻中被激發(fā)的熒光強(qiáng)度，并通過I/V轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及增益電路進(jìn)行信號的整理和放大。最后通過控制電路將電壓信號傳送到檢測設(shè)備中，其中輸出電壓的大小對應(yīng)相應(yīng)的藍(lán)藻濃度。

圖2 藍(lán)藻熒光傳感器原理圖

根據(jù)Beer-Lambert定律，物質(zhì)的熒光強(qiáng)度與其濃度具有正比關(guān)系，它可由以下公式表示[8]：

F=κφI0(1-10-εcd)

(1)

式中：F為物質(zhì)激發(fā)的熒光強(qiáng)度；κ為檢測儀器常數(shù)；φ為熒光效率；ε為摩爾吸光系數(shù)；c為物質(zhì)濃度；d為傳感器激發(fā)光源到光電探測器之間的距離。

F與κ、φ、ε、c等相關(guān)，經(jīng)過簡化后，式(1)可寫成：

F=2.3κφI0εcd

(2)

在水體中，激發(fā)的葉綠素與藻藍(lán)蛋白熒光強(qiáng)度與藍(lán)藻的濃度也具有正比關(guān)系。圖3展示了采用該傳感器檢測不同藍(lán)藻濃度時(shí)的曲線圖。從圖3可以看出，在較小的濃度范圍內(nèi)，傳感器都能靈敏地測試出藍(lán)藻含量，在0.1 μg/L的濃度時(shí)，輸出電壓達(dá)到了3.4 V。并且輸出電壓與藍(lán)藻濃度具有很好的線性對應(yīng)關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99。通過調(diào)節(jié)傳感器中可變增益的信號放大倍數(shù)，可實(shí)現(xiàn)0～500 μg/L的藍(lán)藻濃度檢測。

圖3 藍(lán)藻熒光傳感器對不同藍(lán)藻濃度的測試電壓曲線

2 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 儀器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)采用了低成本、模塊化的設(shè)計(jì)思路。主控制芯片采用了單片機(jī)89LV51，通過多路傳感器采集電路實(shí)現(xiàn)對各參數(shù)傳感器(藍(lán)藻熒光傳感器、水溫傳感器和濁度傳感器)的數(shù)據(jù)采集；主控芯片同時(shí)通過并口連接液晶顯示器、鍵盤電路、數(shù)據(jù)存儲器和時(shí)鐘芯片等外設(shè)。GPRS無線通訊模塊通過單片機(jī)89LS51進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)該單片機(jī)作為從機(jī)與主控芯片通過并口進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。在從單片機(jī)上設(shè)計(jì)有主控制器的中斷控制信號，在GPRS模塊收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的命令后及時(shí)觸發(fā)主控制器進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)，監(jiān)測儀中設(shè)計(jì)了RS232串口通信電路，在野外無線網(wǎng)絡(luò)信號失效的情況下，監(jiān)測數(shù)據(jù)先存儲于存儲器中，隨后可通過該接口將存儲器中數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測儀的硬件電路結(jié)構(gòu)

2.2 多參數(shù)傳感器采集電路設(shè)計(jì)

圖5 多通道傳感器采集電路

2.3 GPRS無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的GPRS無線通訊模塊采用了MC55，該模塊是一種三頻模塊(900/1 800/1 900 MHz)，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，通過內(nèi)嵌的AT命令，可方便地與單片機(jī)連接并控制模塊的工作。圖6顯示了該無線通訊模塊的電路設(shè)計(jì)，MC55模塊通過串口(RXD0/TXD0)與單片機(jī)89LS51進(jìn)行連接，并且通過專用的6端接口與SIM卡槽連接接入GSM網(wǎng)，模塊同時(shí)具備了語音輸入(MICN/MICP)和輸出(EPN/EPP)功能。該模塊具有較小的尺寸和功耗，驅(qū)動電壓為3.3～4.8 V，與單片機(jī)89LS51集成后形成監(jiān)測儀器的無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元，完成無線網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)和語音的無線遠(yuǎn)程傳輸。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測儀的程序流程圖如圖7所示。儀器上電后首先進(jìn)行設(shè)備自檢，存在問題時(shí)返回響應(yīng)的代碼，方便維護(hù)人員排查。自檢完成后，儀器啟動GPRS模塊進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，此時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程控制監(jiān)測儀的工作。監(jiān)測儀進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時(shí)，順序啟動各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到主控單片機(jī)中，主控單片機(jī)再將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和無線數(shù)據(jù)發(fā)送。1次數(shù)據(jù)采集完成后，監(jiān)測儀最后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低設(shè)備的整體功耗。包含GPRS模塊的無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元內(nèi)的單片機(jī)89LS51定時(shí)喚醒發(fā)送心跳包，維持GPRS網(wǎng)絡(luò)在線鏈接。值得一提的是，為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，監(jiān)測儀采用了連續(xù)多次采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)平均濾波算法獲得準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)。具體為1次采集32個(gè)數(shù)據(jù)，然后采用遞推平均濾波和中位值平均濾波相結(jié)合的算法，獲得最終的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的程序流程圖如圖8所示。該軟件基于LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，軟件啟動后首先進(jìn)行自檢，隨后等待與監(jiān)測現(xiàn)場的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)鏈接。無線網(wǎng)絡(luò)鏈接上后，監(jiān)控中心可通過軟件控制現(xiàn)場監(jiān)測儀的工作，或等待現(xiàn)場監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)收到實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，軟件進(jìn)行相應(yīng)的曲線顯示，并分析、儲存數(shù)據(jù)。圖9為監(jiān)控中心軟件的操作界面。

圖7 水質(zhì)監(jiān)測儀軟件程序流程圖

圖8 監(jiān)控中心軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用本文開發(fā)的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，在蘇州市太湖漁洋山水質(zhì)監(jiān)測站進(jìn)行了實(shí)地測試。研制的水質(zhì)監(jiān)測儀的實(shí)物樣機(jī)如圖10所示，圖10(a)是樣機(jī)的面板照片，包含了簡單的狀態(tài)指示和液晶顯示。圖10(b)儀器的內(nèi)部電路照片，該儀器除了可采用市電供電，也可由電池供電，以保證在野外斷電情況下的長時(shí)在線監(jiān)測。

監(jiān)控中心設(shè)置在市區(qū)監(jiān)測站內(nèi)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，其實(shí)測數(shù)據(jù)如圖11所示。該數(shù)據(jù)顯示了系統(tǒng)在連續(xù)近一個(gè)月內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測運(yùn)行情況，可以看出該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行狀態(tài)，能確保每天監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，它包括多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心2部分?，F(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測儀基于低成本的單片機(jī)設(shè)計(jì)，集成藍(lán)藻熒光傳感器、水溫傳感器及濁度傳感器，該監(jiān)測儀通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過實(shí)測證明，該監(jiān)測儀測試準(zhǔn)確、成本低廉、運(yùn)行可靠，可應(yīng)用在內(nèi)陸湖泊等水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域。監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場儀器控制，顯著減少了水環(huán)境工作人員的工作量，提高了水質(zhì)監(jiān)測的效率。

圖9 監(jiān)控中心軟件操作界面

(a)樣機(jī)

(b)內(nèi)部電路

(a)藍(lán)藻濃度

(b)水溫

(c)濁度