饮用水砷/氟智能检测系统的软件设计与数据处理技术

王学福　李博　梁社锋

摘 要：由于计算机技术的迅猛发展，软件可以达到硬件不能完成的功能。文章描述了一种纯净水砷和氟智能测试仪器的程序设计，内容包括：人机用户界面设计；数据通讯和远程通讯部分设计；氟离子的测定程序设计；利用溶出伏安法的砷离子差分脉冲测定程序设计；应用于溶出伏安法的差分脉冲检测数据优化的小波解析及其编程实现；计算砷离子浓度和砷离子溶出峰面积的分析。该系统操作简单，能够达到全自动地精确的检测。

关键词：检测软件；无线通讯；差分脉冲溶出伏安法；小波去噪分析；砷离子；溶出峰

引言

氟是人类所需的微量元素之一。长期喝含氟量较高的水，会导致氟中毒，产生氟斑牙症、肾损害、甲状腺损伤和氟骨病等疾病，而且氟还会对环境产生污染破坏。砷中毒会伤害人类的皮肤、继发细胞癌化、畸形或突变。文章提出的饮用水砷/氟智能测试系统软件可以迅速测定纯净水中氟离子浓度，并且使用溶出伏安法完成砷离子浓度差分脉冲测定分析，该方法可以有效地提高测试的灵敏度和准确度，并使用了小波去噪技术，提高了系统检测下限。

1 系统界面与数据传送部分的程序设计

本工作的程序设计是基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）软件开发平台，美国国家仪器公司（NI）的测量装置都带有NI-DAQ驱动软件，能够供LabVIEW直接使用，用于对测量设备编写程序。饮用水砷/氟智能测试仪器的用户人机交互界面如图1所示。主界面安放了一个波形框。

可以描绘砷离子在测试时的波形参数；两个关键句文本窗口，一个可以显示系统上的通信部分和服务器的通信进程，一个可以跟踪系统的测试进程，大多会用来显示检测的步骤；四个参数文本窗口，依次可以提供饮用水里氟离子浓度的数据值，提供水井里氟离子浓度的数据值，提供纯净水里砷离子浓度数据值，提供水样里砷离子浓度数据值；八个提供标准添加法的参数提醒方框，四个能够提供目标液的砷离子浓度与标液里的砷离子浓度，四个可以提供目标液的砷离子溶出峰面积与添加试剂后的砷溶出峰面积；一个Express XY图，可以显示砷离子溶出峰面积相关系数、拟合点以及拟合曲线。

用来检测的编程框图设计基于顺序结构搭建。一共七个大模块，包括：装置的初始化，以及电磁阀的开/关初始化， 电源的初始化， 注射泵的通讯收发接口初始化， 蠕动泵的通讯收发接口初始化还有状态初始化，检测杯中水样的初始化；纯净水里氟离子浓度的结果；井水里氟离子浓度的结果； 纯净水里砷离子浓度的测定；井水里砷离子浓度的测定；系统完成检测并为后续检测创造初始状态；参数优化与剖析，产生离子浓度数据；保存和文件传送。

该饮用水砷/氟智能测定仪器拥有能远程开机还有参数回传服务器功能，要求良好的服务器系统与参数通讯部分，参数通讯部分负责服务器发出的开机指令的接收还有把检测的数值发送到服务器。参数通讯部分的里面分为GPRS/CDMA单元和IP单元两部分，有二个运行状态：命令SOCKET状态；SerialNET透明通讯状态。SerialNET透明通讯状态使用配置IP地址与端口号后，便可和服务器建立长连接，如果连接断开， 服务器和终端自动重连。参数通讯部分发来的数据全部是从数据传送通道传达到服务器，服务器指令也是参数通讯部分的数据传送通道接收。图2为利用DTU的检测参数文档传送到服务器。

2 利用阳极溶出伏安法的砷离子差分脉冲测试程序设计

2.1 阳极溶出伏安法的差分脉冲检测编程

溶出伏安法差分脉冲检测在溶出检测里的电压扫描方式是差分脉冲而不是使用线性扫描，在直流线性缓变的扫描电平上叠加小幅值的方形脉冲。溶出伏安法的差分脉冲检测具有较高的灵敏度和分辨力， 能降低检测限，可提高100倍左右信噪比。

溶出伏安法的砷离子差分脉冲测定电压设定为：先预加+0.5V清洁检测电极，清洁用时是60秒；接着加-0.4V开始砷离子的电聚集，在聚集进行时，砷离子测试搅拌电机工作，加大样品里的砷离子的扩散速度，保证大部分的砷离子聚集在检测电极上，期望提高检测的效率，减短中间耗时，沉积过程使用部分聚集法；在聚集结束后，停止砷离子测试搅拌电机，静置20秒后，接着打开溶出伏安法差分脉冲扫描，依照设置的电压变化量（6mV）还有电压脉冲高度（40mV）进行扫描，扫描的初始电压是-0.4V，扫描的结束电压是+0.5V，完成扫描过程的历时设定为6秒，信号采集在聚集电压递增到结束电压的过程中进行，每次参数记录的间隔为40毫秒。最终组成一个完全的检测过程。

2.2 砷离子测定结果的小波去噪分析及其编程实现

差分脉冲伏安分析能够衰减干扰电流，可以很好地增加灵敏度与准确度。不过在检测痕量离子浓度时，溶出峰的外形不规则，很难准确指出峰电流。由于小波去噪分析能把有用信号从噪声中分离出，提升检测下限。本工作采用DOG小波函数解析砷离子在差分脉冲伏安曲线中的溶出峰。

在离散小波变换的设计中，涉及非常普遍的是Malalt等发表的多分辨率信号分解算法，LabVIEW无法实现很多结果分析处理的繁琐开发，而MATLAB拥有较好的海量分析功能，本工作便采用LabVIEW和MATLAB协同编程方法。LabVIEW中提供如ActiveX、DDE等标准插口方法，能够和多种与其它应用程序实现互相调用。LabVIEW使用ActiveX技术来完成MATLAB脚本节点。NI公司LabVIEW开发组建议利用的方法是MATLAB Script节点方法。程序的滤波和平滑对信号的去噪、处理和数据的恢复具有突出作用。

对砷测定部分实行单独标定，标定条件：聚集电位-0.5V，聚集耗时90秒、，初始电压-0.4V，结束电压+0.5V，电压变化量6mV。采用标准添加法，总共添加20毫升50ppb砷测试标准液三次。图5是实际溶液检测原始结果和经过DOG小波去噪之后的检测参数。

2.3 砷离子浓度以及砷离子溶出峰面积的计算方法

电化学利用测量电流峰高以及面积同时和同一环境下的基准溶液相比较得到离子浓度，初始浓度为零时电流峰高是零。于是电化学对水样开始检测前，先将标准溶液实施标定，算出目前液样浓度与电流峰高和面积两者的对应关系。电化学系统在扫描获得电化学信号后，峰的形状不规则，峰形和扫描前的聚集耗时、扫描检测中的扫描电压、扫描速率、待测样和扫描电压步长有关。

该智能测试仪器阐明一种利用电化学信号分析的峰面积测量方法，能够让金属离子浓度的检测快速准确。为实现期望数据结果，寻峰的步骤：（1）调用以往结果，捕获特征峰所处的位置。（2）甄别特征峰值，并记载下对应的数组索引。（3）在峰值处左右移动固定的索引值，设置判断阈值（斜率减小到某一值），依照判断条件寻找较优的可以计算峰面积的索引区间。（4）依照得到的索引区间，积分并减去底部三角的面积，然后产生峰面积。计算砷离子溶出峰面积的程序流程见图6。依照上述工作，能够获得该设备使用标准添加法进行砷离子浓度的检测。采用标准添加法去除基体效应的干扰。图7为检测样品里砷离子浓度的程序设计。

3 结束语

利用LabVIEW程序开发编写的饮用水砷/氟自动测试仪器的用户界面友好、控制比较简单、可以设定重要的检测参量还有实时显示仪器的工作进程。本自动测试仪器拥有能远程开机包括数据回传功能，安全的服务器系统和数据通讯部分负责服务器发送的开机指令的接收以及把检测数据的发送到服务器。处理采集到的信号，利用基于小波分析的信号去噪解析和用于电化学信号分析的峰面积计算方法，可以快速准确的计算砷离子浓度。

参考文献

[1]高晋占.微弱信号检测（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]江建军，孙彪.LabVIEW程序设计教程（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]习海旭.饮用水中微量有害离子自动检测系统[J].自动化仪表，2014，35（8）：91-94.