水體化學需氧量檢測系統(tǒng)設計

劉開楊，郭書軍

（北方工業(yè)大學 信息學院，北京 100144）

0 引 言

水質監(jiān)測是污染預警、污染物監(jiān)測和治理效果評定的重要手段，水質分析是水質監(jiān)測至關重要的一環(huán)[1]，準確分析水體的污染情況是水源保護和污水治理的前提。

水源污染和污水性質檢測的一項重要參數(shù)是化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），它表示以化學方法測量1 L水樣中需要被氧化的還原性物質的量（單位為mg/L）[2]，是表示水體有機污染程度的一項重要指標，是水質綜合評價的重要參數(shù)，因此對水體中的COD進行準確監(jiān)測具有重要意義。

傳統(tǒng)COD測定主要采用人工分析的方式進行，不僅耗時耗力，數(shù)據(jù)精確度不高，還對操作人員專業(yè)技能有較高的要求。因此，監(jiān)測行業(yè)不斷引進先進的高精密儀器設備進行樣品分析?，F(xiàn)階段，儀器設備憑借快速、準確、數(shù)字化等特點在水質分析工作中占據(jù)主要地位[3]。

普通COD測定儀器大多為半自動式，需要人工移取水樣、滴加試劑等。本研究在COD傳統(tǒng)檢測方法的基礎上，參照行業(yè)標準，設計了通過分光光度法測量水樣COD的專項水質分析系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)可按用戶設定向反應容器中自動加入樣液和試劑、消解冷卻、采樣測定，并記錄分析數(shù)據(jù)，大幅減少人工實驗步驟，降低實驗錯誤率，在提高測定效率的同時降低成本。

1 水質分析系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)包括檢測終端、服務器和用戶終端三部分，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

儀器終端通過以太網(wǎng)網(wǎng)關接入互聯(lián)網(wǎng)，從服務端讀取參數(shù)配置，并在檢測結束后將檢測數(shù)據(jù)傳給服務端。用戶終端可以讀取服務端數(shù)據(jù)，修改服務端參數(shù)配置。

系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

檢測終端通過溫控和液體控制完成消解反應后，借助光度傳感器采集通過反應容器的平行光光照強度。當檢測終端出現(xiàn)異常時會停止當前動作等待人工處理。檢測終端測定的數(shù)據(jù)、信息等可以在檢測終端顯示屏上顯示。

服務器對檢測終端上傳的數(shù)據(jù)進行處理和儲存后，用戶終端可對檢測終端化學實驗步驟進行編輯，并將服務器數(shù)據(jù)進行圖形化顯示。

1.1 檢測終端設計

化學需氧量檢測終端將MCU作為控制部分，連接溫度傳感器、光照強度傳感器、溫度控制模塊、液體控制部分、光照控制部分、報警模塊、通信模塊和顯示屏等，如圖3所示。

圖3 檢測終端硬件結構

（1）MCU：微處理器選擇意法半導體的STM32F407系列，該系列可在小封裝內提供高集成度、高性能、低功耗的嵌入式存儲器和外設，主要面向醫(yī)療、工業(yè)與消費類應用。STM32F407提供了工作頻率為168 MHz的CortexTM-M4內核，保障了在線系統(tǒng)的實時性。

（2）溫度傳感器與溫度控制：由于溫度會影響消解過程，從而影響標準曲線和測量結果，因此本系統(tǒng)通過MCU計算PID實現(xiàn)溫度的精準控制，以保證環(huán)境條件的穩(wěn)定，使測量結果更加準確。

（3）液體控制：通過小細分步進電機帶動液體泵，可精準加入樣液與試劑。

（4）光照控制：通過數(shù)控恒流源供525 nm激光管產生測量所需的不同功率的平行光源。

（5）光照強度傳感器：對透過反應容器的平行光進行采樣，將光信號轉換為模擬電信號。

（6）通信模塊：采用W5500以太網(wǎng)芯片實現(xiàn)檢測終端與服務端的通信。

（7）報警模塊：當設備出現(xiàn)異常時發(fā)出提示。

檢測終端通過分光光度法測量溶液中待測成分的濃度，將結果上傳至服務端儲存。分光光度法的基本原理是朗伯-比爾定律，又稱吸收定律，即當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度（Absorbance, A）與吸光物質的濃度（Concentration, C）及吸收層厚度（Length, L）成正比[5]，用公式表示為：

A = KLC

式中，K為摩爾吸光系數(shù)。

檢測終端程序流程如圖4所示。

1.2 服務端設計

服務端用于與檢測終端和用戶終端通信，接收并存儲來自檢測終端的結果數(shù)據(jù)與來自用戶終端的配置數(shù)據(jù)、標準曲線數(shù)據(jù)。

1.3 用戶終端設計

用戶終端使用C#開發(fā)，可以編輯執(zhí)行流程和標準曲線并發(fā)送到服務端，檢測終端也可從服務端獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測終端的外部控制。當流程結束時，檢測終端上傳數(shù)據(jù)至服務端，用戶終端獲取服務端存儲的結果數(shù)據(jù)并顯示。

圖4 檢測終端程序流程

2 系統(tǒng)實驗

實驗部分包括系統(tǒng)空測實驗和國標CODMn（化學需氧量高錳酸鹽指數(shù)）檢測實驗。

2.1 系統(tǒng)空測實驗

在進行CODMn檢測實驗之前，為保證實驗結果的可靠性，需首先對系統(tǒng)進行空測實驗，即對消解反應容器在無液體與激光管不同功率的條件下進行重復測量（30次），并記錄光照強度傳感器測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)空測實驗結果顯示，系統(tǒng)使用的光強度傳感器在525 nm波長點測得的標準光照強度偏差小于3%，該結果表明該檢測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 國標CODMn檢測實驗

根據(jù)水體COD國標法規(guī)定（GB 11892—89），取濃度為4.0 mg/L的葡萄糖溶液為標準，配置間隔為0.25 mg/L、梯度為0～4.0 mg/L的標準待測水樣[6-7]。以蒸餾水為參照，標準待測水樣為測量對象，經(jīng)過消解后，各自采集525 nm光強度傳感器數(shù)據(jù)。

通過實驗結果得到的標準曲線顯示水體COD的濃度與光照強度呈現(xiàn)明顯的線性關系，即濃度越高吸光度越大。當濃度低于0.5 mg/L時誤差較大，其余濃度范圍的相對誤差較小，可滿足水體化學需氧量檢測要求。

3 結 語

本文采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)了一種基于分光光度法的實時、在線檢測COD的水質分析系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)具有無人值守、實時檢測、數(shù)據(jù)云端存儲等優(yōu)點，可應用于飲用水、水源水和地面水的COD在線檢測。