现场水质测试仪

孙成昊 陈建明

（华北水利水电学院电力学院，河南 郑州450011）

现场水质测试仪

孙成昊 陈建明

（华北水利水电学院电力学院，河南 郑州450011）

设计了一款水质测试仪，用于现场对水质进行快速测试。测试仪采用基于ARM Cortex架构的STM 32F107作为控制器，在数据处理中预留大量系统后期扩展资源，添加GPRS收发器和北斗BD2+GPS双系统模块，保证实时性的数据传输。通过检测色敏传感器对水反射光的快速比对，使得测试仪测量结果满足项目设计的要求。

现场快速测试；STM 32F107；BD2+GPS双系统模块

对于当今越来越复杂的水环境问题，尤其是突发性污染事件和非常态条件下的应急监测和现场监测，实时、原位、快速获取分析测试数据和相关信息显得尤其重要。本项目水质检测仪正是基于这一需求，力求在复杂的现场环境下能够简单快捷的实现对水质污染物可靠准确的测定。

1 测试仪硬件结构

1.1 测试仪总体结构

系统选用STM32F107作为控制器。STM32107是一款基于ARM Cortex架构，低功耗，最高运行频率可达72MHz，内部集成了高精度ADC及高频脉冲计数器，并预留大量系统后期扩展资源。

测试仪的GPRS收发器选用（华为GTM900B/C模块超TC35/ DTU/GSM工业级开发版/139），收发器完全符合GPRS Class 12规格要求，Aero采用体积仅为8×8厘米的32只接脚小型LGA封装，它通过USART接口与STM32F107通信。FLASH芯片选用了AT45DBI6IB，容量为2MB，它通过SPI接口同MCU通信。LCD选用中文字库320×240液晶彩屏。

1.2 分模块具体实现

电源部分采用芯片aoz1016，输入电压4.5 V～16 V，能在-40度到85度的环境下工作，输出电压值0.8 V到输出电压，最大提供电流为2A。

声光指示在开机或者错误操作下让蜂鸣器发出响声，来提示下一步动作。在电源通电情况下电源指示灯常亮。其他备用指示灯6个，可以指示不同的操作状态。

温湿度传感器采用的是AM2321，测量范围为-40度到80度，供电电压为2.6 V到5.5 V之间。有单总线和IIC总线两种通信方式。

其中PA4是ARM芯片的D/A转换输出接口，采用先用DA转换得到稳定的模拟电压，再通过射极跟随来增大其负载能力，这样保持了输出电压的稳定。

蓝牙采用的是串口通信，蓝牙功能的实现可以使仪器与打印机连接起来，使打印更方便，也节省了一些连线的麻烦。在近距离时也可以通过蓝牙给手机传输测量结果等文件。

ARM芯片支持USB主从模式，可以实现双向通信。既可以通过接口与PC机连接通信，也可以和U盘进行文件传输。

2 北斗BD2+GPS双系统定位

为了更好地适应外部条件，采用北斗BD2+GPS双系统定位。仪器采用UM220模块，模块结构图如图1所示：

图1 UM220结构图

模块通过串口连接到处理器，并通过串口来控制模块，并从模块接受NMEA数据，将提取的数据导入ARM中。

3 水质测试仪检测

3.1 检测方法

朗伯·比尔定律中在一定的波长下，溶液中待测物质的浓度C与吸光度A呈线性关系

检测系统为采用全色分析技术的测试仪，RGB色度传感器芯片将可见光全波长颜色系统的色度空间的各项参数进行量化，内置标准工作曲线和相应的分析程序，通过微电脑控制器的积分整合和数模转换，快速完成检测。

3.2 数学模型

数据采集：首先采集无测试管时的RGB三基色数值，然后采集有测试管时的RGB三基色数值。有测试管时的RGB数值与无测试管时的RGB数值分别做比值运算得到R比、G比、B比。对R比、G比、B比数值做归一化处理，得到RGB的分量值。

建立标准色度空间：由于RGB数值做了归一化处理，因此任意2基色都完整的表达了测试管的色度（第三种基色可以从：R+ G+B=1求得）。为此可以建立一个二维色度空间，用以描述化学反应产生的色度变化。采集标准色标管数值在二维色度空间建立标准色度曲线。

测算待测物数值：采集待测物RGB数值。其RGB数值在二维色度空间表示为一个点。计算出此点距离标准色度曲线上最近的点所对应的值，即为待测物含量数值。

3.3 数据库结构

仪器共有128个参数，每个参数共有256级，也就是256组数据。R，G，B，C四个数据为一组，每个数据占用两个字节。数据范围：16进制0～FFFF，十进制为0～65536。数据显示采用3个字节。34A105FF表示数据为：34.105，A表示小数点。为了数据内存寻址简单，数据显示也采用三个字节，最后五个字节为无效。因此每级需16个字节完整表示。共使用内存128×256×16= 524288个字节，也就是512K字节（4Mbit内存）

3.4 数据库数据采集

3.4.1 空白平均值计算

不插任何试管，测得R、G、B、C共8组数据。去掉一组最大值，去掉一组最小值，还剩6组数据。

每组数据计算出：

做R、G、B的平均值

6个R=∑Ri`/6 i=1，2，3…6

6个G=∑Gi`/6 i=1，2，3…6

6个B=∑Bi`/6 i=1，2，3…6

得到空白R、G、B三个平均值数据。

3.4.2 标准色标试管平均值计算

插入标准色标试管，测得R、G、B共8组数据。去掉一组最大值，去掉一组最小值，还剩6组数据。依照前面方法，计算出色标试管平均值。

3.4.3 做以下计算

设r0 g0 b0为空白三基色平均数值

ri gi bi为标准色标试管三基色平均数值

因为亮度信息对采集的数据并不重要，因此计算时我们采用归一法处理数据。

3.4.3.1 计算空白三基色分量值：

r0`=r0/（r0+g0+b0）*C g0`=g0/（r0+g0+b0）*C b0`=b0/（r0+g0+ b0）*C

3.4.3.2 计算标准色标试管三基色分量值：

ri`=ri/（ri+gi+bi）*C gi`=gi/（ri+gi+bi）*C bi`=bi/（ri+gi+bi）*C

3.4.3.3 做运算：

Ri`=C+r0`-ri`Gi`=C+g0`-gi`Bi`=C+b0`-bi`

其中C是为了不产生小数而设置。初步拟定C=10000或C= 8192（213）

得到的Ri`，Gi`，Bi`数值即为空间第i个点的标准数据。

用标准色标管测得的标准数据存放在数据库中，以备查询。

4 结束语

文中设计的水质检测仪，针对现场水质快速检测的要求，在保证水质检测的快速与精准的条件下，能够在现场监测的实际应用中，满足对于时间和空间特性极强，随机变化明显，要求监测频率较高的应急检测，与传统的实验室检测相比，现场检测取得的一个及时的，好的答案能取得更多的价值，实现快速与准确的完美平衡。

[1]陈帅，薛晓中等.SINS/北斗/GPS组合导航系统研究[J].火力与指挥控制，2009，34（6）.

[2]程鹏飞，李玮，秘金钟.北斗导航卫星系统测距信号的精度分析[J].测绘学报，2012，41（5）.

TH83

A

1671-0037（2014）02-88-1.5

2014年2月17日。

陈建明（1963-），男，教授，研究方向：自动化及嵌入式教学与研究。

孙成昊（1988-），男，硕士研究生，研究方向：模式识别与智能系统。