嵌入式多参数微小型水质监测系统的设计

摘 要： 结合嵌入式技术和GPRS无线网络技术，提出一种新型多参数微小型水质监测系统。采用ARM9处理器S3C2440A作为主控制器，控制单片机工作﹑采集光谱数据和GPRS数据传输。单片机作为辅助控制器，对7种水质参数指标实时测量。采用触摸屏作为人机交互工具。
关键词： 多参数；微小型化；嵌入式技术；GPRS

在我国，水污染已经成为严重的环境问题。现有水质监测系统的方法大多分为两类：(1)采用人工操作的方法，其监测系统庞大，完成测试过程所用时间比较长。(2)现场进行测试的方法，其对水质测试的参数比较单一，不能实时传输测试数据[1]。基于这两类方法的监测系统，所得数据代表性差,无法及时反映水污染的变化情况,已经满足不了现代环境监测和保护的要求。因此，研制能够对水质进行自动采样、多参数监测﹑自动化分析以及对监测数据无线传输的水质监测系统十分必要。
近年来，嵌入式技术得到了广泛关注并获得了飞速发展，其应用范围越来越广。基于该技术的设备具有体积小、成本低和性能稳定等显著优点[2]。而GPRS技术是为无线数据传输服务量身定做的，该技术具有实时性强、设备成本低、维护费用低、价格便宜、适合不定期和长时间的数据传输等诸多优点[3]。
本文提出了一种基于嵌入式技术和GPRS技术的多参数微小型水质监测系统的设计方法。介绍了该监测系统的监测原理，给出了系统的总体方案，分析了系统的总体结构以及功能，设计了系统的控制硬件和软件。
1 系统测量原理
该系统水质参数的测量原理是以朗伯—比尔定律为理论基础的，其表达式为：

其中，A为介质的吸光度，I为入射光的强度，I′为光通过介质吸收后的透射光强，C为介质的摩尔浓度，l为光程长，ε为介质的摩尔吸收系数。在测量中，采用已知P物质的标准溶液和未知P物质的被测溶液比较特定波长吸收程度的方法，来获得P物质在被测溶液中的浓度。为了扣除蒸馏水在该特定波长处的吸光度值，选用蒸馏水为参比溶液。首先用仪器对P物质的N个不同浓度的标准溶液进行测量，得到吸光度值Ai（i=1,2,3…N）。以P物质的浓度Ci为横坐标、吸光度值Ai为纵坐标，利用最小二乘法便可得出P物质的标定曲线，其表达式为：
A=bC+k (2)
其中：A为P物质的吸光度，C为P物质摩尔浓度。由于光谱仪精度因素，实际计算出的标定曲线是一条不过原点的直线。当测量P物质在被测溶液中的未知浓度时，只需测出不含P物质时的杯空白吸光度A空白和含有P物质溶液的吸光度AP，即可将（AP-A空白）代入式(2)，得出被测溶液中P物质的浓度。
2 水质监测系统总体结构
图1为多参数微小型水质监测系统的原理框图，分为单片机测量控制系统和ARM硬件控制系统。嵌入式ARM系统主要实现整体控制，通过对触摸屏菜单的操作，对单片机测量系统发出控制命令，可以实现对水中的铬、铅、A表面活性剂、化学耗氧量（COD）、氨氮、总磷和挥发酚的标定，单步测量和依次测量。然后嵌入式ARM系统通过微型光谱仪对光谱数据采集，经过数据处理，完成对水中各个参数含量的测试。而经过测试之后，可以通过GPRS网络，实时地将测量数据传输到远端管理人员的PC机上，从而实现对库区和大江大河环境水质状况的实时监测。

2.1 单片机测量控制系统
单片机控制系统主要由单片机处理器及钨丝灯光源﹑透镜﹑光纤探头、样品水池﹑清洗搅拌机构﹑直线导轨机构﹑蠕动泵阵列﹑反应测试室阵列﹑电磁阀阵列和控制电路等组成。光源、镜头、光探头、清洗搅拌针、注入清水及试样的管头等组装在直线导轨的移动滑块上。检测时，单片机首先控制直线导轨上的移动滑块至第一个反应测试室，控制蠕动泵抽取清水至测试室，然后控制清洗搅拌机构，使用搅拌针搅拌，待搅拌完成，打开相应电磁阀，排除清水；接着利用蠕动泵分别抽取适量的样品溶液和试剂溶液，使用搅拌针充分搅拌，待反应充分；最后，单片机控制点亮光源，由钨丝灯产生的可见光经过透镜聚光后穿过测试室，由微型光谱仪探测头把透射光导入光谱仪，记录光谱数据，然后将光谱数据传入ARM系统，进行水质参数浓度的分析。此时第一个参数测试完毕，按照上述步骤可完成水样中7种参数含量的测试。
由于水质中各个参数的吸收光波长不同，光谱的大致范围在400 nm～700 nm之间，因此，本系统中选择了体积小﹑寿命长﹑价格低的12 V 25 W的溴钨灯作为光源。
2.2 ARM硬件控制系统
ARM硬件控制系统的任务主要包括：光谱数据的接收与分析处理、控制单片机系统、测量数据发射、人机对话等，其结构框图如图2所示。水质参数开始检测后，首先通过LCD触摸屏对该系统的各个参数进行设定，ARM系统与单片机系统通信，通知单片机系统的各个模块准备测试。然后ARM系统向单片机系统发送测试第一个参数的命令，单片机系统按照制定好的步骤，完成试剂和样品溶液的充分反应，然后打开光源。这时，光谱仪的光线探头定位在第一个反应测试室的透射光孔处，透射光进入光谱仪的光纤探头，经过光纤传输，光谱仪开始采集数据，待采集完成后，通过光谱仪与ARM系统的连接并口传入ARM处理器S3C2440A中，然后ARM处理器对采集的数据进行处理，并存储处理结果以及在LCD触摸屏上显示该参数的吸光度曲线。待这些完成之后，ARM系统发送命令，通知单片机系统开始测试第二个参数，直至7个参数全部测试完毕为止。由于GPRS模块通过串口与S3C2440A相连接，ARM处理器通过串口发送AT指令对GPRS模块操作。测试完成之后，ARM处理器对已存储参数的浓度进行数据传输，通过GPRS网络将数据传输到远端的PC机端。

本系统采用三星公司生产的ARM9芯片S3C2440A作为处理器，它是一款低功耗的32位处理器。系统选用的光谱仪为重庆大学微系统研究中心自主研发的微型光谱仪，光谱范围330 nm～780 nm，光谱带宽≤2 nm，波长准确性+0.9，分辨率≤2 nm，符合系统的要求。GPRS模块采用西门子公司生产的MC35I，该模块支持GPRS Class 8级以及短信功能。
3 系统的软件设计和数据处理
多参数微小型水质监测系统的软件设计由参数标定部分、参数吸光度值采集和处理、GPRS无线传输和控制部分组成。
3.1 参数标定及吸光度值采集和处理的设计
参数的标定是基于朗-伯比尔定律和仪器的系统误差考虑的。在每次测量之前要进行参数的标定，首先是设置光谱仪的参数即积分时间和参考电压，接着ARM系统向单片机系统发送命令，单片机系统控制各个机构。测试第一个参数，ARM系统控制光谱仪从中读取该参数的吸光度值，并存储在FLASH中，直至第七个参数测试完毕。此时，处理器根据存储的数据作出7条标定曲线，并显示在LCD上。在采集被测溶液的参数吸光度值时，步骤和参数标定基本相同，只是在最后使用标定曲线计算出该参数的浓度值。参数标定及吸光度值采集和处理流程如图3所示。

系统测试时可能会存在随机误差，由误差理论可知，当测量次数无限增大时，随机误差趋向于零，测量的算术平均值趋向于真值。但当n>10以后，算术平均值的标准差变化缓慢，因此，测试10次数据比较适中[4]。从图3的流程图中可以看出，系统标定和测试都是10次测量，所以本系统已从软件设计考虑，减少了系统的随机误差。
3.2 GPRS无线传输和控制设计
GPRS无线传输和控制的实现是通过GPRS的收发短信实现的。在使用GPRS网络传输时，首先利用PPP拨号，使GPRS模块和GPRS网络的网关支持节点GGSN建立一条逻辑通路，从而实现与Internet的无线连接，连接完成之后就可以实现短信的收发[5、6]。本系统设置了一些可以供远程管理员进行远程控制的指令，在短信接收阶段，ARM系统通过判断接收的短信内容是回复内容还是远程控制。如果回复内容是1，则说明PC机端已经收到发送的数据；如果回复内容是3，则说明PC机端没有收到发送的数据，继续重发；如果回复内容是2，则说明PC机端向ARM系统发送命令，这样就可以使测试人员不在现场时也能进行实时测试。图4为GPRS短信收发流程图。

在以上设计基础上，对样机的各个模块进行了加工、装配和联合调试，并且用触摸屏控制各个系统进行了综合调试。测试结果显示，各个机构的控制精度很高且工作速度也符合设计要求。光谱仪采集数据和GPRS模块远程传输控制正常，系统运行状态较好，整机工作稳定。
　　多参数微小型水质监测系统采用了嵌入式技术和 GPRS技术进行设计开发，有效实现了对环境水样中的铬、铅、A表面活性剂、化学耗氧量（COD）、氨氮、总磷和挥发酚的实时检测与远程监测，与目前国内外同类水质监测系统相比具有体积小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低、实时监控等特点。不仅保证了监控人员能够及时准确地收到多参数微型水质监测系统发送的水质数据，而且保证了多参数微型水质监测系统也能够及时收到监控人员的反馈信息，使用者和监控中心能做到实时通信，从而实现了真正的实时监测，具有良好的应用前景。
参考文献
[1] 柴红柳.基于GPRS的环境水质pH值自动监测系统的研制[D].长春：吉林大学，2007.
[2] 桑楠.嵌入式系统原理及应用开发技术(第2版)[M].北京：高等教育出版社，2008．
[3] 钟章队.GPRS通用分组无线业务[M].北京：人民邮电出版社，2001.
[4] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5] 赵立权.在Linux下实现安全PPP连接[J].云南师范大学学报，2002，22(3)：7-10.
[6] SIMPSON W.The point to point protocol[S].RFC1661，1994.