基于嵌入式技術(shù)的雙光譜水質(zhì)多參數(shù)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 文，蔡永青，馬永躍，陳銀銀

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程研究所，北京 100144)

0 引言

水是人們不可或缺的基本條件，隨著生活水平質(zhì)量的提高，水體污染越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。水質(zhì)檢測設(shè)備也隨著科技的進(jìn)步發(fā)生了巨大的變化，由傳統(tǒng)的人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析向自動(dòng)化分析轉(zhuǎn)變，由水質(zhì)檢測參數(shù)的單一化向多參數(shù)檢測轉(zhuǎn)變，由檢測過程復(fù)雜、存在二次污染向檢測簡單快速、無二次污染轉(zhuǎn)變。水質(zhì)檢測設(shè)備對我國水資源短缺和水污染起到了很大的遏制作用。因此，研究水質(zhì)在線檢測技術(shù)，對防治水體污染具有重要意義[4-6]。

水質(zhì)檢測方法多種多樣，按照檢測原理分為試劑法、分光光度法、電極法、直接光譜法[7-8]。試劑法在水質(zhì)檢測中發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟，許多水質(zhì)參數(shù)的國標(biāo)檢測均采用試劑法進(jìn)行，但試劑法系統(tǒng)復(fù)雜，檢測時(shí)間長，存在二次污染，在實(shí)施過程中采用站房式，成本較高；分光光度法是水質(zhì)檢測中常用的檢測方法，該方法在傳統(tǒng)試劑法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，舍棄中和滴定的檢測方式[9]，而改用分光光度計(jì)對顯色物質(zhì)直接進(jìn)行濃度測量，既簡化了實(shí)驗(yàn)步驟又降低了化學(xué)試劑的使用量，但使得其測量精度也有所下降；電極法依靠離子選擇性進(jìn)行某一參數(shù)的檢測，檢測參數(shù)少。直接光譜法因存在豐富的波長范圍，可同時(shí)檢測多個(gè)參數(shù)，該技術(shù)利用水中物質(zhì)對光的吸收特性或熒光特性，通過吸光度或熒光強(qiáng)度直接推算出水質(zhì)檢測指標(biāo)，檢測具有高效性、實(shí)時(shí)性和無污染的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視。針對目前的水質(zhì)檢測情況，本文提出了基于嵌入式技術(shù)的雙光譜融合水質(zhì)多參數(shù)一體化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用來實(shí)現(xiàn)快速檢測、防止二次污染、運(yùn)維簡單、保證精度的目標(biāo)，拓寬光譜學(xué)在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用，為以后更多參數(shù)的檢測提供理論基礎(chǔ)，具有良好的發(fā)展前景[10-11]

1 雙光譜檢測原理

1.1 光譜法水質(zhì)檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)

紫外可見吸收光譜法[12]是利用水中物質(zhì)對紫外光和可見光的吸收特性，從吸收光譜推算物質(zhì)含量的一種水質(zhì)檢測方法，其中物質(zhì)對光吸收的定量定律是基于朗伯比爾定律[13]，通常水體中的有機(jī)物和部分無機(jī)物對于紫外可見區(qū)段的光具有一定的吸收能力，通過紫外可見吸收光譜法來測定水質(zhì)參數(shù)。

熒光分析法[14]屬于直接光譜法中的一種，是利用部分物質(zhì)的熒光特性來鑒別物質(zhì)種類和檢測物質(zhì)含量的檢測技術(shù)。通過固定激發(fā)光的波長，使用激發(fā)光照射水樣使之發(fā)射熒光，收集到的熒光光譜為熒光發(fā)射光譜。

1.2 朗伯-比爾定律

朗伯-比爾定律是光學(xué)吸收最基本的定律，朗伯-比爾定律指出假設(shè)一束平行單色光照射待測介質(zhì)表面，入射光強(qiáng)為I0，介質(zhì)厚度為l，如圖1所示，光束通過之后，由于一部分光被吸收，透射光的強(qiáng)度會(huì)減弱，透射光的強(qiáng)度為It。光強(qiáng)度I與濃度C和厚度l關(guān)系式如式(1)所示[15]。

圖1 光譜檢測原理圖

(1)

式中：A為共存物質(zhì)的吸光度；K為待測物質(zhì)的吸光系數(shù)；l為光程(光在溶液中移動(dòng)的路程)。

加合性是吸光度另一特性，這也是雙波長光譜法的原理。在2種或2種以上的混合溶液中，假設(shè)該混合物質(zhì)不發(fā)生相互反應(yīng)，則混合溶液的總的吸光度等于各溶液吸光度之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(2)。

A1+A2+…+An=lg(I0/I1)+lg(I1/I2)+…+

lg(In-1/In)=lg(I0/In)

(2)

式中：A1～An為n種共存物質(zhì)各自的吸光度；I0～I(xiàn)n為n種共存物質(zhì)各自的入射光強(qiáng)度。

朗伯比爾定律為光譜法水質(zhì)檢測提供了有力的理論依據(jù)。

1.3 熒光檢測原理

在特征頻率的光照射下，具有熒光特性的物質(zhì)吸收了光能，由基態(tài)躍遷到一個(gè)能級較高的激發(fā)態(tài)，然后通過無輻射躍遷，由較高的激發(fā)態(tài)躍遷到較低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級上，再從該激發(fā)態(tài)的能級最終躍遷到基態(tài)的各個(gè)不同的激發(fā)態(tài)和振動(dòng)能級上，同時(shí)放出具有相應(yīng)能量的分子熒光，最后以無輻射的形式躍遷回到基態(tài)的最低激發(fā)和振動(dòng)能級。

相同物質(zhì)在同一波長的光束激發(fā)下，產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度根據(jù)該物質(zhì)的濃度不同，所激發(fā)出的熒光光強(qiáng)也不同，可利用該性質(zhì)測定該物質(zhì)的濃度。根據(jù)熒光分析法可檢測相對濃度不高的溶液，各變量的關(guān)系式如式(3)所示：

If=2.303φI0εbc

(3)

式中：εbc≤0.05；If為熒光強(qiáng)度；φ為熒光量子產(chǎn)率；I0為入射光強(qiáng)度；ε為摩爾吸光系數(shù)；b為水質(zhì)檢測池厚度；c為水樣中熒光物質(zhì)濃度。

2 雙光譜融合的水質(zhì)多參數(shù)系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

為保證快速檢測、簡化運(yùn)維、避免污染和保證精度的條件，水質(zhì)檢測系統(tǒng)采用光譜法檢測為核心技術(shù)，可以大幅縮短檢測時(shí)間，降低運(yùn)維成本，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為兩部分：硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)搭建，具體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)思路

硬件結(jié)構(gòu)主要用于為2種光譜的檢測流程提供硬件支持，主要包括光路結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路。其中光路結(jié)構(gòu)包括各項(xiàng)光學(xué)儀器，如紫外可見光源、熒光光源與光譜儀，以及光譜測量的光學(xué)通路；機(jī)械結(jié)構(gòu)包括檢測池、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、流路結(jié)構(gòu)和定位結(jié)構(gòu)，分別用于檢測過程中的各項(xiàng)功能；控制電路是檢測系統(tǒng)的核心，為檢測池移動(dòng)、光源開關(guān)等提供相應(yīng)的控制功能。軟件系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)檢測過程提供軟件支持，通過程序控制檢測流程的運(yùn)行和水質(zhì)參數(shù)的運(yùn)算。除了控制電路中涉及的檢測控制程序和流路控制程序外，軟件系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與通訊程序、數(shù)據(jù)前處理程序和各水質(zhì)參數(shù)模型與算法程序。

紫外吸收光譜和熒光光譜融合的水質(zhì)多參數(shù)一體化整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)紫外可見光譜法的檢測原理，紫外可見光進(jìn)入檢測池的入射方向應(yīng)與光譜儀的收集方向成同一直線，保證透射后的光全部被光譜儀收集；而熒光光源發(fā)射光進(jìn)入檢測池的入射方向與光譜儀的收集方向呈90°夾角，由于被激發(fā)出的熒光向四周發(fā)射能量通常是均勻的，這種垂直方向上的收集結(jié)構(gòu)既可以最大程度避免光源直射帶來的光譜干擾，又能正常地收集物質(zhì)被激發(fā)熒光的光譜信息。

2.2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體機(jī)械機(jī)構(gòu)采用圓柱體立式結(jié)構(gòu)，核心部分采用長方體結(jié)構(gòu)，既節(jié)省空間，又方便安裝維護(hù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括光源(氙燈)、光譜儀、激光器等，布局設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 布局設(shè)計(jì)圖

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

控制電路的主要功能是完成檢測系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的控制工作，保證檢測流程正常運(yùn)行?？刂齐娐分饕娫垂╇?、核心控制、開關(guān)控制和串口通訊4個(gè)模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)單獨(dú)的功能，控制電路的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 控制電路整體結(jié)構(gòu)

電源供電模塊主要為電機(jī)、光源設(shè)備、光譜儀、工控機(jī)和其他模塊提供電源，且給不同的設(shè)備供應(yīng)其所需要的電壓；核心控制模塊主要控制紫外可見光源和熒光光源的開啟與關(guān)閉、通過控制電機(jī)和水泵的運(yùn)行來控制檢測池的參比水樣與實(shí)際水樣的切換，以及變光程檢測池的光程切換等，通過程序控制實(shí)現(xiàn)整體檢測流程的運(yùn)行；開關(guān)控制模塊主要為電路開關(guān)提供光耦隔離，用于保護(hù)控制電路，同時(shí)開關(guān)控制也是連接光學(xué)儀器與控制電路的橋梁；通訊模塊主要為核心控制模塊與工控機(jī)之間的通訊提供合適的接口，保證通訊過程正常進(jìn)行。

2.2.2.1 控制電路設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的控制電路主要由電源供電模塊、核心處理模塊、開關(guān)控制模塊、串口通訊模塊組成。電源供電模塊主要負(fù)責(zé)各個(gè)光機(jī)電器件的電源供應(yīng)，包括交直流轉(zhuǎn)換、12 V-5 V轉(zhuǎn)換和 5 V-3.3 V轉(zhuǎn)換等電壓轉(zhuǎn)換功能；核心處理模塊使用高性能型STM32微控制器，主要負(fù)責(zé)檢測流程的時(shí)序控制，作為開關(guān)、通訊等各項(xiàng)功能的樞紐；開關(guān)控制模塊主要通過控制通斷電情況來控制光源、光譜儀和工控機(jī)等設(shè)備的工作狀態(tài)，把控設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，保證系統(tǒng)長期運(yùn)作；串口通訊模塊主要用于與工控機(jī)之間的命令通訊以及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2.2 電源供電模塊

系統(tǒng)供電采用220 V市電供電，模塊中使用開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)化為12 V的直流電，用于大部分開關(guān)控制電路和其他需要12 V電壓的電路。

12V轉(zhuǎn)5V芯片LM2596S原理圖如圖6所示，該芯片只需要較少外圍電路即可完成穩(wěn)壓功能，內(nèi)部具有保護(hù)電路，具有耐高溫特性，且輸出電流為1 A，符合電路需求。

圖6 12 V-5 V電壓轉(zhuǎn)換模塊

5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源芯片選擇LM1117-3.3低壓差線性穩(wěn)壓器，該芯片負(fù)載響應(yīng)較快且輸出電壓平穩(wěn)，具有電壓保護(hù)功能，符合硬件設(shè)計(jì)需求，模塊如圖7所示。

圖7 5 V-3.3 V電壓轉(zhuǎn)換模塊

2.2.2.3 核心控制模塊

本文中檢測系統(tǒng)控制電路的核心控制模塊由微控制器以及相關(guān)電路組成。微控制器主要用于完成開關(guān)、電機(jī)等時(shí)序控制，同時(shí)也進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的處理工作。微控制器采用STM32F103VET6微控制器，此芯片有32位基于ARM核心的Cortex-M3類型CPU，其最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，512 Byte閃存存儲器，64 KB的SRAM，3個(gè)12位ADC，并且有USB、CAN、UART等多種類型13個(gè)通訊接口，使用精簡指令編寫程序，開發(fā)方便快速，可在線調(diào)試。該控制器主要完成功能為：ADC轉(zhuǎn)換，將模擬器件采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器；通過RS232、RS485與上位機(jī)通訊，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集；通過I/O控制外圍繼電器，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，該控制器具有較高的算法執(zhí)行速度、代碼效率以及數(shù)據(jù)傳輸速率，符合水質(zhì)檢測系統(tǒng)的快速檢測原則。

2.2.2.4 開關(guān)控制模塊

開關(guān)控制模塊主要用于控制氙燈、激光器以及工控機(jī)的開關(guān)狀態(tài)。為方便控制，氙燈、激光器以及工控機(jī)均調(diào)整為上電自啟動(dòng)的模式，通過控制通斷電即可直接控制儀器的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2.5 通訊模塊

該電路板設(shè)計(jì)有兩種類型串口通信，一路為RS-485，一路為RS-232，RS-232選取SP3232EN作為轉(zhuǎn)換芯片，RS-485選擇AUTO485作為RS485差分總線收發(fā)器，用于數(shù)據(jù)通信。電路圖分別如圖8(a)、圖8(b)所示。

(a)RS232串口轉(zhuǎn)換電路

2.3 軟件部分設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)采集與存儲程序

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由氙燈、激光器、光譜儀、光纖、上位機(jī)、檢測池、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(DTU)、電源等組成。光源通過光纖將光傳輸?shù)綑z測池，再經(jīng)由光纖將透射光傳輸?shù)焦庾V儀，由激光器激發(fā)的熒光也通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀，通過連接上位機(jī)的USB線進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取運(yùn)算后傳輸?shù)紻TU，其流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集流程圖

檢測系統(tǒng)所需的光譜數(shù)據(jù)均來自于光譜儀，光譜儀本身不帶有數(shù)據(jù)儲存功能，其數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線向外傳輸，通過USB接口與工控機(jī)相連，工控機(jī)中的光譜儀數(shù)據(jù)傳輸程序用于接收來自USB接口的數(shù)據(jù)，并在工控機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行儲存。

2.3.2 檢測總流程設(shè)計(jì)

光譜法水質(zhì)檢測的總體流程是由微控制器和工控機(jī)共同控制的，用于完成紫外可見光譜檢測、熒光光譜檢測和水質(zhì)參數(shù)運(yùn)算等各項(xiàng)功能，最終獲得測量水樣的4項(xiàng)參數(shù)值。檢測總流程如圖10所示。

圖10 檢測總流程

3 雙光譜融合的水質(zhì)多參數(shù)檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

為檢測樣機(jī)的運(yùn)行性能和檢測精度，在設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的雙光譜融合的水質(zhì)多參數(shù)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，基于國家環(huán)保水質(zhì)檢測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)檢測方法，使各水質(zhì)檢測性能指標(biāo)符合水質(zhì)檢測行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TP、TN、NH3-N、CODMn監(jiān)測平臺各性能指標(biāo)如表1所示，水中油監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表2所示。

表1 紫外吸收光譜的水質(zhì)多參數(shù)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

表2 熒光光譜水中油監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)

在雙光源融合一體化系統(tǒng)運(yùn)行期間配置3組標(biāo)準(zhǔn)濃度混合水溶液，將配置水溶液每組各測試5次并求得平均值，與此同時(shí)用國標(biāo)法同時(shí)測量5組水溶液，將得到的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)作比較，得出雙光源融合一體化系統(tǒng)和國標(biāo)法測量值RSD以及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)RE。測試結(jié)果如表3所示。配制的不同濃度的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的分析結(jié)果如表4所示。

表3 雙光譜一體化對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 雙光譜一體化水中油各性能指標(biāo)結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知設(shè)計(jì)的雙光源融合一體化系統(tǒng)各水質(zhì)參數(shù)的重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠度滿足設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)要求和行業(yè)要求。

根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)各性能指標(biāo)滿足國家要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確檢測水中油的含量。

4 結(jié)論

本文基于嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種雙光譜融合的水質(zhì)多參數(shù)一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小、運(yùn)維簡單、無二次污染、集成度高、可同時(shí)檢測多個(gè)參數(shù)等特點(diǎn)。用TP、TN、NH3-N、CODMn、水中油等參數(shù)對其進(jìn)行測試，將該系統(tǒng)所得的監(jiān)測值和國標(biāo)法測量值進(jìn)行對比，得出各水質(zhì)參數(shù)的RSD和RE，對比實(shí)驗(yàn)證明了雙光源融合監(jiān)測系統(tǒng)水質(zhì)檢測性能的重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠度滿足相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為水質(zhì)多參數(shù)的快速檢測提供了一種新的研究思路和解決方法。