水质多参数监测系统设计

王英，陈聪伟，肖金球*

（1.江苏省电子信息产品质量监督检测研究院，江苏无锡214073；2.国家物联网产品及应用系统质检中心，江苏无锡214073；3.苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

水质多参数监测系统设计

王英1，2，陈聪伟3，肖金球3*

（1.江苏省电子信息产品质量监督检测研究院，江苏无锡214073；2.国家物联网产品及应用系统质检中心，江苏无锡214073；3.苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

为了实时监测水质参数，准确掌握水文信息，设计了基于ARM嵌入式技术的水质多参数实时监测系统。系统以ARM处理器920TS3C2410为主控器，运用最小二乘法温度补偿原理及嵌入式技术对水质多参数进行采集、处理及分析，并通过GPRS模块将水质数据传送到监测站。测试结果表明，该系统监测准确，运行稳定，实现了对水质多参数的实时监测。

ARM；多参数；920TS3C2410；温度补偿；GPRS

随着经济的迅速发展，人类不合理的开发与建设给地球水文环境造成了严重破坏，排污量日益增加，环保意识薄弱等众多因素导致多水域富营养化，水污染严重，治理水污染迫在眉睫。因此，有必要设计一种能够实时反映水质动态变化、具有报警功能的多参数水质监测系统[1]，以及时了解水质状况，对水污染迅速做出预警，方便环保部门对水环境的治理。文中研究的水质监测系统，不仅能快速采集、处理水质多参数数据，而且可以将监测结果实时传送到监测站进行水污染分析。其成本低、功能完善、简单便捷，为水污染预防和治理提供有力的帮助。

1 监测系统设计

1.1 功能需求分析

水与人类的生产、生活息息相关。水质指标主要有：温度、pH、DO（溶解氧）[2]等。良好水质的温度周最大温升≤1，周最大温降≤2；pH为6～9；溶解氧≥饱和率90%（或7.5 mg/L）等。

表1 系统主要性能指标

为了有效预防水污染，需要及时、准确地了解水质参数。因此，监测系统的基本功能需求：（1）多参数监测。系统需要对水质温度、pH、DO、浊度等多参数进行监测[3]。（2）实时监测。每隔一段时间系统自动对水质多参数监测一次，采集间隙系统进入休眠状态。（3）监测数据的处理与传输。监测数据能够及时存储、显示，并通过GPRS模块传送至监测站终端；水质监测站能够自主设定标准，在监测参数超标时及时报警。

系统还应具有良好的分辨率、准确度等检测参数，整个系统的技术指标如表1所示。

1.2 系统总体结构

监测系统通过多个水质传感器实时获取水质多参数信号。水质传感器获取的信号将被传送至调理电路实现对传感信号的优化、滤波处理。A/D模块进行高精度的模数转换，经过ARM处理器920TS3C2410将信号进行温度补偿、分析和存储，最后通过GPRS将水质多参数信号传送到监测站进行分析。监测系统结构框如图1。

图1 监测系统结构图

2 DO硬件电路

2.1 参数调理电路

监测系统中接入了多路传感器对水质参数信号进行采集，但这些信号多为电流信号，存在漂移失真、噪声干扰等，为此笔者在传感器与A/D转换模块之间设计了多路信号调理电路，对采集信号进行除噪和I/V转换等。由于多路调理电路设计原理类似，文中只对DO采集调理电路作详细介绍。

2.1.1 DO传感器结构及工作原理

监测系统采用极谱式薄膜溶解氧电极作为传感器。黄金片作为阴极，银片为阳极，KCl溶液作为电解液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。由于外加极化电压使得两电极间存在电位差，如果待测液中有氧存在，其则通过聚四氟乙烯薄膜在阴极发生还原反应产生电流。反应式如下

在一定条件下，反应电流的大小与水中氧的分压有关，而水中氧分压与水中溶解氧成正比，所以，水中溶解氧的浓度可以由传感器输出电流的大小来表示。

2.1.2 DO采集调理电路

图2 DO采集调理电路

如图2 DO采集调理电路所示，阳极（Ag端）由稳压管、电容和电位器构成激励源电路，为DO传感器的正负电极提供极化电压，极化电压的大小可由电位器P1调节。当阳极输出的电压满足要求时，水中的氧在Au端发生反应，产生μA级电流。由于传感器输出的是较弱的电流信号，极易受到噪声等信号影响，因此，需要对传感器输出的弱电流信号进行无损放大。由于传感电极的内阻较大，所以，采用输入阻抗较高的CA3140运算放大器作为第一级前置放大器。CA3140具有较高输入阻抗、增益高、噪声小等优点，可有效减少信号衰减实现弱电流的第一级放大。由于A/D转换模块的输入是电压信号，第二级调理部分采用低功耗仪表放大器AD627实现I/V转换及第二级电压程控可变倍数放大，将电流转换到A/D转换模块可接收的电压范围。AD627的失调漂移、增益漂移和增益误差都较低,因此,可最大程度消除系统中的直流误差且AD627有较具有好的共模抑制比（CMRR），AD627可很好的消除传输线干扰和传输线谐波噪声，从而确保了在放大过程中信号质量不会受到影响。

实验测试显示，输出的信号中携带了一定量的高频毛刺，致使水质参数信号不稳定，因此，在调理电路中笔者设计了低通滤波电路用以消除高频杂波，提高信号精度。低通滤波电路如图3所示。其传递函数为

根据设计需要，可以调节R1、C1设置低通滤波器允许通过的最大频率值。水质信号在测量过程中易受到外界的工频干扰[5]，因此，设计中加入50 Hz的工频陷波电路。50 Hz工频陷波电路如图4所示。

图3 低通滤波电路

图4 50Hz工频陷波电路

2.2 系统抗干扰与供电系统

2.2.1 系统抗干扰设计

系统中水质信号除了受50 Hz工频等噪声干扰，系统本身也存在诸多电源干扰、信号通道干扰等。对此文中设计抗干扰措施来抑制干扰源：PCB板图设计过程中，尽量加粗电源线与地线，保证电源线、地线走向与信号传递方向一致，增强抗干扰能力；数字地与模拟地分开连接，从而避免模、数电路之间的回路干扰。

2.2.2 供电系统设计

因系统稳定性的需要，并且此监测系统工作在室外，采用交流供电较为麻烦等诸多环境因素的考虑，检测系统部分采用太阳能供电[6]。这样既能解决供电中断带来的不便，又环保节能。太阳能供电系统如图5所示。太阳能充电控制器能够保护蓄电池，避免其过度充电以及负载过大造成的过度放电。蓄电池能在有光照时将太阳能电池板采集的电能储存起来，在需要的时候提供给负载。

图5 太阳能供电系统

3 温度补偿设计

水质传感器易受敏感参量——水温的影响，产生温漂误差，因此，传感器必须经过温度补偿校正，使测量值最接近实际值。系统的创新之处在于运用最小二乘法原理将传统的硬件温度补偿改进为软件补偿，弥补了传统硬件温度的调试困难，精度低的缺点。

3.1 最小二乘法原理

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数字优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。笔者在研究两个变量（X、Y）之间的关系时，通常可以得到多个成对数据组（X1Y1～XnYn），将这些数据描绘在X～Y坐标系中，如果发现这些点在一条直线附近，可令这条直线方程为

其a0、a1为任意实数。

为了建立这条直线方程就要确定a0、a1，将实测值yi与yj离差的平方和最小作为“优化判据”。令

把（1）式代入（2）式，得

求解出a0、a1代入（1）式，此时（1）式的方程就是回归的元线性方程。在回归过程中，回归的关联式不可能全部通过每个回归数据点X1Y1～XnYn，为了判断关联式的好坏，可借助相关系数“R”，统计量“F”，剩余标准偏差“S”进行判断；“R”越趋近于1越好；“F”的绝对值越大越好；“S”越趋近于0越好。

3.2 温度补偿设计

系统中，需要对DO（pH、浊度）等传感器采集信号进行温度补偿。此处以DO参数温度补偿为例。在温度传感器测量范围内确定m个温度（T1，…，Tm）作为设定点，在DO传感器的测量范围内确定n个DO（DO1，…，DOn）作为设定点，DO与T产生在各个设定点的输出值见表2。

在不同的温度T1，…，Tm下分别对DO测量值进行静态设定，获得了对应不同温度状态下的m条DO-UDO特性组，同时也获得了对应于不同溶解氧量的温度传感器的n条T-UT特性组。

采用最小二乘法原理，对上述两个特性组进行多次拟合计算，得出补偿系数[7]。将补偿方程存储在温度补偿子程序模块中。ARM控制器采集到水质多参数的电压信号后，调用水质参数各自的温度补偿子程序，实现对信号的实时校准。

表2 标定点的输出值

图7 信号采集流程图

4 系统软件设计

系统软件需实现对传感器数据的采集、处理等；对GPRS模块进行编程，在GPRS网络下传送、接收数据。其主程序流程如图6所示。系统软件设计包含：水质信号采集程序模块和数据处理程序模块2个部分。

4.1 水质信号采集程序模块

信号采集的主要流程如下：采集定时[8]（采集定时时间有MCU来分配）时间到达后，ARM控制器发生采集命令，多路水质传感器上电初始化，系统采集数据、处理、发送，发送结束后控制器进入休眠状态，关闭传感器电源。这样既满足了水质信号的实时采集，又降低了系统的功耗。信号采集程序流程图如图7所示。

4.2 数据处理程序模块

数据处理程序模块分为2个部分：应用程序和嵌入式操作系统程序。应用程序包含水质多参数信号处理、人机交互界面设计、GPRS网络传输；嵌入式操作系统包含控制按键、LCD和GPRS传输模块驱动程序设计。系统的嵌入式Linux软件平台是在PC机上REHL4 Linux操作系统下建立的。采用arm-Linux-gcc-2.95.3作为交叉编译工具。Linux软件平台建立包含以下4部分：（1）建立交叉编译环境；（2）制作Bootloader；（3）移植Linux内核；（4）根文件系统编写[9-10]。

4.2.1 GPRS编程设计

GPRS程序部分主要实现水质多参数数据的接受和传输。GPRS模块通过RS－232串口与ARM处理器的UART0口连接，UART口的驱动程序设计采用了循环队列结构，环形缓冲区通过一个线性数组和指针实现操作。GPRS编程设计采用AT指令来实现对GPRS模块的控制，从而实现数据的接收与发送。部分AT指令如表3。

表3 部分AT指令

5 系统测试

在温度为0～40℃，相对湿度小于90%的室外环境下，对整个监测系统进行了反复测试，其运行稳定，响应快。笔者对苏州新区某河流定点水质进行了监测，4次测试参数如表4所示。由表可知，监测系统所测得参数基本能达到技术指标，DO偏大与10%，后找到误差原因：DO传感器进入水中水位深度不一致。分析水质参数可以知道，该河流点溶解氧偏低，藻类过度繁殖，水质富营养化，需要进一步治理。

表4 测试参数表

6 结语

该系统以ARM处理器为控制核心，实现对水质多参数信号的采集、存储和传输。嵌入式系统的应用保证了监测系统的稳定性和实时性。水质监测系统的关键在于多个水质参数信号的采集、调理，此系统针对每一个水质参数设计了合理的调理电路，温度补偿措施，保证了采集信号的准确性。另外系统中采用太阳能电池供电，其具有低功耗、绿色环保的优点。该系统监测稳定、实时测量准确、数据远程传输，具有很好的市场应用前景和较高的环保推广价值。

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Design of water-quality parameters real-time monitoring system

WANG Ying1，2，CHEN Congwei3，XIAO Jinqiu3
（1.Jiangsu Electronic Information Product Quality Supervision and Inspection Institute，Wuxi 214073，China；2.China National Quality Supervision&Test Center for the Internet of Things，Wuxi 214073，China；3.School of Electronic＆Information Engineering，SUTS，Suzhou 215009，China）

In order to monitor water-quality parameters in real time and accurately grasp the hydrologic information，we designed a water-quality parameters real-time monitoring system based on ARM embedded technology. Combined with embedded technology and temperature compensation of least-square method，the system employing the ARM processor 920TS3C2410 as the core collected，processed and analyzed the water-quality parameters, and transferred the data to the monitoring stations through the GPRS modules.Experimental results show that this system can accurately detect water-quality parameters in real time and operate stably.

ARM；multi-parameter；920TS3C2410；temperature compensation；GPRS

TP368.1

A

1672－0687（2015）01－0054－05

责任编辑：艾淑艳

2014－07－19

江苏省科技厅产学研前瞻性项目（311111603）；江苏省研究生培养创新工程项目（CXZZ14-1284）

王英（1963-），女，江苏无锡人，高级工程师，研究方向：EMC，电波暗室性能测试研究。

*通讯联系人：肖金球（1963-），男，教授，硕士，硕士生导师，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。