基于STM32 的地下水分层智能采样器设计

宋云亮,王家忠,张建伟

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.中国地质调查局水文 地质环境地质调查中心，河北 保定，071051）

在京津冀地区地下水作为重要的饮用水源，占地下水比例的70%以上，其保护工作尤为重要。在地下水污染调查中，地下水采样技术是地下水污染监测网中的基础环节，它决定地下水污染监测的代表性和准确性。目前国内地下水采样方法多为单一混合采样，该方法受地下水流向的季节性变动或降水波动影响较大［1］，采集的水样无法代表各个含水层的水质状况，该方法常用于对采样精度要求不高的场合［2-3］。对同一个采样点的不同深度进行分层采样和监测，可以更加准确地获取污染物的实际迁移特征。

为获取各个水层的地下水样本，国内外采用了建设多个不同深度的监测井或在单孔井将采样器放置在不同深度进行采样的方式以及采用充气式封隔器对不同深度的水位进行分层的方法。该方法建井成本较高，同时将采样器放在不同深度和采用充气式封隔器使用较为繁琐，监测频率低且需要较多劳动力［4-6］。国内在采集地下水样时普遍使用贝勒管、惯性泵、气囊泵、取样筒以及潜水泵等采样器。采样过程中，由于采样设备上下晃动或者流量较大等原因，采集的水样容易被干扰，失去代表性。采用低流量（0.1 ～1.0 L/min）采样法可降低对含水层的干扰，提高采样的准确度和精度［7-11］。

国外常用的地下水分层采样系统有Waterloo System、Water FLUTe System、 以 及Westbay MP System［13-15］。CMT System 采用单口井内放置1 根蜂窝状采样管并在不同深度开口的方式进行分层采样；Waterloo System 和 Westbay MP System 利用专用封隔器和采样泵采集不同水位的地下水；Water FLUTe System 将采样管下到指定目标层，通过加压的方式并对目标层水样进行提取。这些采样系统成本较高，需要配备专门的采样设备。

针对地下水采样过程繁琐、采样成本高等问题，为满足京津冀地下水低扰动、低流量、分层采样的要求，笔者研发了基于STM32 的智能型分层采样器，实现一孔多层的地下水低流量低扰动的自动化采集，并为构建模块化、标准化地下水监测预警与大数据信息处理平台提供样品来源。与现有地下水分层采样相比，能够大大的节省劳动力，降低监测成本，提高采样效率。

1 试验井分层方案及地下水分层采样器的整体方案

1.1 试验井分层方案

试验井分层信息如图1 所示。

采样试验选在北京张家湾试验井进行。据调查，该地区主要为重金属污染，有机物含量较少。试验井成井深度为53 m，采样深度为50 m，采用反循环钻机成井，一径到底，井管直径为225 mm。根据该地区的地质结构，试验井分3 层，止水位置分别为14.5 ～22.5 m 和30 ～36 m。

1.2 地下水分层采样器的整体方案

采样器用于实现同一监测点，不同水层地下水的洗井与水样的低流量、低扰动采集。监测地下水分层封隔效果，排除井孔滞水的影响，使采集的水样具有代表性。

在采集过程中，为获取不同层面的地下水，利用自膨胀封隔器分隔，选用螺杆泵进行分层提取。为实现低流量、低扰动采样，采用螺杆泵与变频器配合使用。采样整体方案如图2 所示。

监测平台通过大数据分析，通过物联网与上位机进行通信。采样器依据上位机的指令对变频器控制以及频率调节，实现不同流量的采样。通过水位监测探头判断井下水位变化以及自膨胀橡胶封隔器的封隔效果。在流通池中放置集温度、压力、电导率为一体的多参数传感器，用于排除地下水井孔滞水的影响，获取新鲜的地下水。通过真值判定实现采样系统电源通断、水样参数自动采集与判定、控制水样的给排、终端指令处理、数据在线传输等多项功能。工作流程如图3 所示。

图3 采样工作流程图Fig.3 Flow chart of sampling work

采样器的工作过程为：

（1）采样器在接收到上位机的采集命令后，打开对应水层的变频器，并将设定的采样频率通过RS485 发送给变频器。

（2）变频器按指定频率对螺杆泵进行控制，将采集的地下水灌输到流通池中。

（3）流通池中的多参数传感器对采集的水样进行判定，以排除井孔滞水的影响。

（4）判定水样稳定之后，传感器将数据通过RS485通讯线缆传输给采样器，采样器发送给上位机。

（5）上位机控制分析仪工作，数据分析结束后，向上位机返回分析结果。上位机通知采样器关闭电磁阀进行排水。

2 硬件设计

根据采样器设计要求，采样器硬件系统以STM32 为核心，由电源电路、螺杆泵控制电路、电磁阀控制电路、RS485 通讯电路、USB 电路以及SD卡存储电路、RTC 电路等组成。其硬件结构如图4所示。

图4 采样器硬件结构Fig.4 Hardware structure

其中，电源电路主要用于为仪器内部芯片以及变频器和排水电磁阀提供电源；RS485 电路主要用于与水位监测探头以及多参数传感器通讯并读取数据，并与变频器进行通讯以调节采样泵流量；存储电路主要用于存储水位监测探头采集的地下水水位信息以及多参数传感器采集的水样温度和电导率等信息，地下水需要长期监测，数据量较大，单片机的存储无法满足；存储电路保证数据的正常存储。

2.1 水位监测探头、传感器以及变频器选择

水位监测探头采用瑞士Keller 公司的10 L 压阻式OEM 压力传感器。该传感器自带CPU 并支持RS485 通讯，精度可达0.007%FS。

多参数传感器采用In-Situ 公司的Aqua TROLL 200 数据记录仪，其参数如表1 所示。

表1 Aqua TROLL 200 数据记录仪参数Table 1 Aqua TROLL 200 data logger parameters

依据《地下水环境监测技术规范》（HJ/T 164－2004）的要求可知，在采集电导率时，需采用误差不超过1%的电导率仪测定；采集温度时，连续监测2 次，其差不大于0.4 ℃时，监测合格。该多参数传感器能够满足要求。

变频器选用广州三晶电气有限公司的8000B增强型变频器，其工作频率为0 ～50 Hz，支持MODBUS 协议，可采用RS485 通讯，便于携带安装。

2.2 电源电路

为实现对采样系统中采样泵的启停控制以及频率的调节，该仪器采用了AC220 V 供电。排水电磁阀需要12 V 电压，仪器内部的芯片大多采用5 V 和3.3 V 进行供电。电源供电等级如表2 所示。

表2 电源供电等级Table 2 Power supply

2.3 MCU

MCU 作为采样器的核心，主要完成与上位机的通讯与指令分析，水位检测探头与多参数传感器数据的采集与分析。本文采用了STM32 系列单片机STM32F103RD，工作频率可达72 MHz，内部具有384 KFlash 和96 K SRAM，良好的性能能够保证数据的采集以及处理，并保证数据传输的实时性［16-17］。此外该单片机集成了丰富的外设资源和接口，能够实现数据的快速存储和传输。

2.4 电磁阀控制电路

电磁阀控制电路主要用于排出流通池内多余的水，其电路如图5 所示。

如果建立一个稳定的模式，能够不断复制是最好的。但问题在于，外部的环境和内部的资源是在不断变化的，模式不可能一劳永逸，当内外部环境发生变化时，企业的生存会遇到挑战。另外，如果总是简单的重复，员工的热情也会丧失。

图5 排水电磁阀控制电路Fig.5 Power control circuit for drain solenoid valve

电磁阀控制回路采用光耦隔离电路，输出回路利用PMOS 管对电磁阀进行通断控制。当PA1 为低电平时，光耦导通，经电阻分压后，PMOS 管的栅极G 的电压低于源极S，此时电路导通。

2.5 螺杆泵控制电路

螺杆泵控制电路通过对继电器K2和K3控制实现对变频器以及螺杆泵的控制，防止负载电路中纹波和噪声的干扰。采样器通过RS485 设定采样频率，变频器依据采样频率调节采样泵的转速。螺杆泵控制电路如图6 所示。

图6 螺杆泵控制电路Fig.6 Screw pump control circuit

3 软件设计

在水样采集过程中，需将井孔内的滞水排除干净，其判断依据是滞水清洗指标参数（电导率、温度）达到稳定或排水总容积大于3 ～5 倍滞水容积。稳定的标准是持续测量中获得3 个连续稳定读数。

3.1 真值判定

在判定过程中，每隔一分钟读取多参数传感器的电导率和温度数值。设读取的前1 个电导率数值为A，下一次读取的电导率数据为B，连续采集并判断是否满足|B-A|/A×100% ≤A×3%；采集传感器的温度数据，设前一次采集的数据为X，下一次采集的数据为Y，连续采集并判断是否满足|YX|≤0.1 ℃。当2 种数据连续3 次均满足条件时，判定滞水清洗完成，此时获取的地下水为新鲜的地下水。

3.2 采样器软件设计

软件通讯遵循MODBUS RTU 通讯协议，波特率为9 600 bps。STM32 通过USART3 接受上位机的传输的采样信息，并依据协议进行解析，获取需要采集水层的以及采集频率信息。进而完成对该层变频器的控制，实现分层、低流量、低扰动采样。软件工作流程如图7 所示。

图7 软件工作流程Fig.7 Software workflow

（1）采样器收到上位机采集指令（包括采集频率、采集层位）后开始工作。由采样泵将水样灌输到流通池中，水位监测探头开始采集地下水水位信息；

（2）当水位达到或高于30 cm 后，采样器每隔一分钟读取1 次传感器的电导率和温度数据来检测参数是否稳定；

（3）当温度、电导率稳定之后，采样器将传感器采集的温度、电导率等信息反馈给上位机，同时将数据进行存储到外部存储中；

（4）采样器将变频器电源关闭，采样泵停止工作，并等待上位机下发排水指令。

（5）采样器接收到排水命令后，流通池进行 排水。

（6）系统进入休眠，等待下一次采集信号。

4 系统验证

为了检验地下水分层采样器的流量与采样频率和真值判定所需时间的关系，判断水位检测探头数据采集情况，并依据水位监测探头的数据分析封隔器的封隔效果。在北京张家湾地区试验井进行了试验验证。图8 为采样器主电路板实物。

图8 采样器主电路板Fig.8 Main circuit board of sampler

4.1 不同频率和深度下采样泵的流量

观察水泵在不同深度下最小、最大流量以及对应的采集频率。依据试验井信息，主要将采样泵分别放于10、25 和40 m 位置进行取水。表3 为在不同频率和深度下采样泵的流量之间的关系。

表3 不同频率和深度下采样泵的流量Table 3 Flow rate of sampling pump at different frequencies and depths

由表3 可知，不同深度采集水样所需的电机频率相差不大，在9 Hz 左右流量最小。为找到最小不上水频率，在9 Hz 附近进行微调。采用低流量采样，流量应在0.1 ～1.0 L/min 左右。因此，采集水样时电机频率需控制在9 ～11 Hz，即可实现低流量低扰动采样。

4.2 洗井流量与水质稳定时间之间的关系

在不同洗井流量下，系统的稳定时间不同。表4 为洗井流量和系统稳定时间的关系。

表4 洗井流量与稳定时间的关系Table 4 The relationship between the flow rate of well washing and the stabilization time

由表4 可知，洗井流量越大，所需稳定的时间有减小的趋势。所以在采样过程中，可以适当增加洗井流量以节约采样时间，提高工作效率。

4.3 水位监测探头测试试验

为验证采样器分层采样效果、水位监测探头数据采集是否正常以及检测封隔器封隔效果。设定变频器的工作频率为20 Hz，抽取第3 层水样，用于验证封隔器的封隔效果和水位监测探头。在样品提取过程中各层压力传感器压力变化如图9 ～11 所示。

图9 抽取第1 层地下水各层水位埋深变化情况Fig. 9 Extraction of the depth change of each lager of groundwater in the first layer

图10 抽取第2 层地下水各层水位埋深变化情况Fig. 10 Extraction of the depth change of each layer of groundwater in the second layer

图11 抽取第3 层地下水各层水位埋深变化情况Fig. 11 Extraction of the depth change of each layer of groundwater in the third layer

图9 所示，当抽取第1 层地下水时，水位下降，第1 层水位变幅为0 ～0.740 m；第2 层水位变幅为0 ～0.010 m；第3 层水位变幅为0 ～0.003 m。图10 所示，抽取第2 层地下水时，第1 层水位变幅为0 ～0.020 m；第2 层水位变幅为0 ～0.445 m；第3 层水位变幅为0 ～0.125 m。图11 所示，抽取第3 层地下水时，第1 层水位变幅为0 ～0.008 m；第2 层水位变幅为0 ～0.039 m；第3 层水位变幅为0 ～0.623 m。试验表明：自膨胀橡胶封隔器封隔效果良好，试验井分层效果明显，水位监测探头数据采集满足国标要求。

5 结论

（1）设计了以STM32 为控制核心的地下水分层智能采样器。为排除井孔滞水的影响，采用了基于电导率和温度稳定性判断的水样真值判定，实现了地下水分层检测自动化、智能化。

（2）在北京张家湾试验井内进行测试，以变频器的频率为控制变量，以螺杆泵流量和水样稳定时间以及水位监测探头数据采集情况为评判标准进行试验。试验表明，该采样器能够实现不同流量的洗井和低流量采样，能够满足地下水分层采样的作业要求。采样器在频率8 ～10 Hz 时，能够实现低流量采样，效果最佳。

（3）为提高采样效率，可适当提高洗井流量。采样器运行稳定可靠，能够实现全流程自动、快速检测。水位检测监测探头的数据采集满足国标要求，控制仪运行稳定。